质量数

质量数通常用 $A$ 表示，是原子核中质子与中子的总数。这两类粒子统称为核子，因此质量数也称为核子数。质量数是一个精确、无量纲的计数值，而不是对质量的测量值。它与质子数一起确定原子的原子核组成，并区分同一元素的不同同位素。(goldbook.iupac.org)

定义与表示方法

质量数定义为

其中，$Z$ 为原子序数，即质子数；$N$ 为中子数。因此，中子数可由 $N=A-Z$ 计算得出。对于原子核，$A$ 是正整数。氢-1的原子核由一个质子组成，不含中子，因此 $A=1$；碳-14含有六个质子和八个中子，因此 $A=14$。(goldbook.iupac.org)

具有特定原子核组成的原子核或原子称为核素。核素的常用表示形式为

其中，$\mathrm{X}$ 为化学元素的符号。质量数写在元素符号的左上角，原子序数写在左下角。因此，碳-14写作 ${}^{14}_{6}\mathrm{C}$。由于元素符号本身已经确定了 $Z$，左下角的原子序数可以省略，写作 ${}^{14}\mathrm{C}$。在名称中，质量数置于元素名称之后，用连字符连接，例如“碳-14”。(iupac.org)

电子数不在质量数的定义之内。移去或增加电子会使原子成为离子，但不会改变 $A$ 或 $Z$。离子电荷另行标注在右上角：例如，${}^{13}\mathrm{C}^{+}$ 的质量数仍为13。(goldbook.iupac.org)

同位素与同量异位素

同位素是同一元素中质子数相同、中子数不同的核素，因此其质量数也不同。碳-12、碳-13和碳-14的 $Z$ 均为6，但中子数分别为六、七和八。因此，一种元素不一定只有一个质量数：质量数属于某一种特定同位素，而不属于作为同位素混合物的元素整体。(openstax.org)

质量数相同的不同核素称为同量异位素。$A$ 相同意味着核子总数相同，而不意味着原子核组成相同。例如，碳-14和氮-14都含有14个核子，但各自的质子数和中子数不同。因此，仅凭质量数无法确定元素，也无法唯一确定一种核素；还需要知道原子序数。(goldbook.iupac.org)

与原子质量和原子量的区别

尽管名称中有“质量”二字，质量数并不是原子质量。原子质量是单个原子经测量得到的质量，通常以道尔顿或统一原子质量单位表示，符号为 $u$。这一单位通过碳-12定义：处于原子核基态和电子基态的中性碳-12原子，其质量恰为 $12\,u$。其他同位素的质量通常不是整数。例如，碳-13的 $A=13$，但其原子质量约为 $13.003355\,u$。(nist.gov)

质量数与以这一单位表示的原子质量在数值上大致对应，是因为质子和中子的质量都约为一个单位。不过，它们的质量并不恰好等于 $1\,u$，而且结合成原子核后的质量小于各核子分离时的质量之和。这一差值通过质能等价关系与核结合能相联系。电子也对原子的质量有所贡献。这些因素都不会改变核子数这一整数值。(openstax.org)

相对原子质量是原子质量与原子质量常量之比，为无量纲量。对于样品中的某种元素，其原子量反映的是各同位素质量按丰度加权得到的平均值。因此，碳的原子量接近12.011，并不意味着碳原子核含有12.011个核子。一般而言，不能通过将元素的原子量四舍五入来确定某个未指明同位素的质量数。(nist.gov)

放射性衰变中的变化

在放射性衰变中，核算质量数十分重要。在阿尔法衰变中，原子核发射出一个含有两个质子和两个中子的氦-4原子核。子核的质量数为 $A-4$，原子序数为 $Z-2$。(openstax.org)

在通常的贝塔衰变中，一个核子转变为另一类核子，但核子总数不变。贝塔负衰变将一个中子转变为质子，同时发射一个电子和一个电子反中微子；$A$ 保持不变，$Z$ 增加一。贝塔正衰变将一个质子转变为中子，使 $Z$ 减少一，而 $A$ 保持不变。发射伽马射线会改变原子核的能量状态，但不会改变质子数或中子数。(openstax.org)

核反应与结合能

在通常的核反应中，所有参与反应的原子核和自由核子的质量数总和在初态与末态之间保持平衡。例如，氘与氚发生核聚变，生成氦-4和一个中子：

核子数的平衡关系为 $2+3=4+1$。同样，在配平核裂变方程的质量数时，也必须计入发射出的中子。这种核算并不意味着静止质量总和守恒：静止质量的差值可以转化为释放出的能量。(openstax.org)

在核物理学中，将总结合能除以 $A$，便得到每核子的结合能，这一量便于比较大小不同的原子核。质量数说明原子核中有多少核子，而核子的排列及相互作用决定结合能；质量数相同并不保证质量相同，也不保证稳定性相同。(openstax.org)