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원자량을 물리적으로 측정하는 다양하고 정확한 방법이 급속하게 증가하고 있다. 화학적 측정을 토대로 하는 원자량 값으로부터 물리적 측정을 토대로 하는 원자량 값으로의 변화가 점차 완성되고 있다고 생각되지만 물리적 방법이 가장 정확하다고 예측하기는 아직 어렵다.

기본적으로 두 물리적 측정의 유형은 구별되어야 한다.

첫째로 한 원소의 원자량은 그 원소의 동위원소의 조성에 적합한 평균값으로 직접 정할 수 있다. 역사적으로 가장 중요한 방법은 아보가드로의 법칙에 따른 기체밀도비를 이용한 방법이다. 이 첫번째 유형의 가장 확실한 방법은 X선 회절법으로, 이 방법에서는 이상적으로 순수한 완전결정의 거시적 밀도를 X선 회절에 의해 3차원적으로 결정된 원자척도 방식 단위의 밀도와 비교한다(→ 아보가드로 법칙).

핵종의 원자질량을 물리적으로 결정하는 2번째 방식이 최초로 측정되었는데, 이것은 질량 스펙트럼(전하를 띤 입자를 원자핵의 원자질량에 따라 분리하는 방법)과 핵반응의 에너지 변화로 측정하는 것으로 정확도가 매우 크다. 하나의 핵종만으로 이루어진 원소의 원자량은 매우 정확하므로 곧바로 이용할 수 있다. 가장 큰 장점으로 핵종 질량으로부터 계산하기 전에 동위원소의 조성이 분리되어 측정된다.

2개 또는 3개 정도의 동위원소가 존재하는 경우 일반적으로 화학적 방법과 다른 물리적 방법보다 동위원소의 합성 혼합물로 보정된 질량분석법이 유리하다. 그러므로 언젠가는 질량분석법이 많은 원자량 값의 기본적인 측정방법으로 남게 될 것이다.