Атомный номер или число заряда ядра (символ Z ) химического элемента — это зарядовое число атомного ядра . Для обычных ядер, состоящих из протонов и нейтронов , оно равно числу протонов ( n p ) или числу протонов, обнаруженных в ядре каждого атома этого элемента. Атомный номер может использоваться для уникальной идентификации обычных химических элементов . В обычном незаряженном атоме атомный номер также равен числу электронов .
Для обычного атома, содержащего протоны, нейтроны и электроны , сумма атомного числа Z и числа нейтронов N дает атомное массовое число атома A. Поскольку протоны и нейтроны имеют приблизительно одинаковую массу (а масса электронов пренебрежимо мала для многих целей), а дефект массы нуклонной связи всегда мал по сравнению с массой нуклона, атомная масса любого атома, выраженная в дальтонах (что составляет величину, называемую « относительной изотопной массой »), находится в пределах 1% от целого числа A.
Атомы с одинаковым атомным числом, но разным числом нейтронов и, следовательно, разным массовым числом, называются изотопами . Чуть более трех четвертей встречающихся в природе элементов существуют в виде смеси изотопов (см. моноизотопные элементы ), а средняя изотопная масса изотопной смеси для элемента (называемая относительной атомной массой) в определенной среде на Земле определяет стандартный атомный вес элемента . Исторически именно эти атомные веса элементов (по сравнению с водородом) были величинами, измеряемыми химиками в 19 веке.
Условный символ Z происходит от немецкого слова Z ahl 'число', которое до современного синтеза идей химии и физики просто обозначало числовое место элемента в периодической таблице , порядок которой тогда приблизительно, но не полностью, соответствовал порядку элементов по атомным весам. Только после 1915 года, с предположением и доказательством того, что это число Z также является зарядом ядра и физической характеристикой атомов, слово Atom z ahl (и его английский эквивалент atomic number ) стали общеупотребимыми в этом контексте.
Вышеуказанные правила не всегда применимы к экзотическим атомам , которые содержат короткоживущие элементарные частицы, отличные от протонов, нейтронов и электронов.
Грубо говоря, существование или построение периодической таблицы элементов создает порядок элементов, и поэтому их можно пронумеровать по порядку.
Дмитрий Менделеев сказал, что он расположил свои первые периодические таблицы (впервые опубликованные 6 марта 1869 года) в порядке атомного веса («Atomgewicht»). [1] Однако, принимая во внимание наблюдаемые химические свойства элементов, он немного изменил порядок и поместил теллур (атомный вес 127,6) перед йодом (атомный вес 126,9). [1] [2] Такое размещение соответствует современной практике упорядочивания элементов по числу протонов, Z , но в то время это число не было известно или предполагалось.
Простая нумерация, основанная на положении в периодической таблице, никогда не была полностью удовлетворительной. В дополнение к случаю йода и теллура, несколько других пар элементов (таких как аргон и калий , кобальт и никель ) позже показали, что имеют почти идентичные или обратные атомные веса, что потребовало определения их места в периодической таблице на основе их химических свойств. Однако постепенное выявление все более и более химически схожих лантаноидов , атомный номер которых не был очевиден, привело к непоследовательности и неопределенности в периодической нумерации элементов, по крайней мере, начиная с лютеция (элемент 71) и далее ( гафний в то время не был известен).
В 1911 году Эрнест Резерфорд предложил модель атома, в которой центральное ядро содержало большую часть массы атома и положительный заряд, который в единицах заряда электрона должен был быть приблизительно равен половине атомного веса атома, выраженного в числе атомов водорода. Этот центральный заряд, таким образом, был бы приблизительно равен половине атомного веса (хотя он почти на 25% отличался от атомного номера золота ( Z = 79 , A = 197 ), единственного элемента, из которого Резерфорд сделал свое предположение). Тем не менее, несмотря на оценку Резерфорда, что золото имело центральный заряд около 100 (но было элементом Z = 79 в периодической таблице), через месяц после появления статьи Резерфорда Антониус ван ден Брук впервые формально предположил, что центральный заряд и число электронов в атоме были точно равны его месту в периодической таблице (также известному как номер элемента, атомный номер и обозначаемому как Z ). В конечном итоге это оказалось правдой.
Экспериментальная позиция значительно улучшилась после исследований Генри Мозли в 1913 году. [3] Мозли, после обсуждений с Бором, который работал в той же лаборатории (и который использовал гипотезу Ван ден Брука в своей модели атома Бора), решил проверить гипотезу Ван ден Брука и Бора напрямую, проверив, соответствуют ли спектральные линии, испускаемые возбужденными атомами, постулату теории Бора о том, что частота спектральных линий пропорциональна квадрату Z.
Для этого Мозли измерил длины волн самых внутренних фотонных переходов (линии K и L), производимых элементами от алюминия ( Z = 13) до золота ( Z = 79), используемыми в качестве ряда подвижных анодных мишеней внутри рентгеновской трубки . [4] Квадратный корень частоты этих фотонов (рентгеновских лучей) увеличивался от одной мишени к другой в арифметической прогрессии. Это привело к выводу ( закон Мозли ), что атомный номер действительно близко соответствует (со смещением на одну единицу для линий K, в работе Мозли) вычисленному электрическому заряду ядра, то есть номеру элемента Z. Среди прочего, Мозли продемонстрировал, что ряд лантаноидов (от лантана до лютеция включительно) должен иметь 15 членов — не меньше и не больше — что было далеко не очевидно из известной химии того времени.
После смерти Мозли в 1915 году атомные номера всех известных элементов от водорода до урана ( Z = 92) были исследованы его методом. Было семь элементов (с Z < 92), которые не были найдены и поэтому идентифицированы как все еще неоткрытые, соответствующие атомным номерам 43, 61, 72, 75, 85, 87 и 91. [5] С 1918 по 1947 год были открыты все семь из этих недостающих элементов. [6] К этому времени были также открыты первые четыре трансурановых элемента , так что периодическая таблица была полной без пробелов вплоть до кюрия ( Z = 96).
В 1915 году причина квантования ядерного заряда в единицах Z , которые теперь считались такими же, как и номер элемента, не была понята. Старая идея, называемая гипотезой Праута, постулировала, что все элементы состоят из остатков (или «протилов») самого легкого элемента водорода, который в модели Бора-Резерфорда имел один электрон и ядерный заряд один. Однако еще в 1907 году Резерфорд и Томас Ройдс показали, что альфа-частицы, имеющие заряд +2, являются ядрами атомов гелия, масса которых в четыре раза больше массы водорода, а не в два раза. Если гипотеза Праута верна, что-то должно было нейтрализовать часть заряда ядер водорода, присутствующих в ядрах более тяжелых атомов.
В 1917 году Резерфорду удалось получить ядра водорода из ядерной реакции между альфа-частицами и азотным газом [7] , и он считал, что доказал закон Праута. В 1920 году он назвал новые тяжелые ядерные частицы протонами (альтернативные названия — проутоны и протилы). Из работы Мозли сразу стало ясно, что ядра тяжелых атомов имеют более чем в два раза большую массу, чем можно было бы ожидать, исходя из того, что они состоят из ядер водорода , и поэтому требовалась гипотеза для нейтрализации дополнительных протонов, предположительно присутствующих во всех тяжелых ядрах. Предполагалось, что ядро гелия состоит из четырех протонов плюс два «ядерных электрона» (электроны, связанные внутри ядра), чтобы компенсировать два заряда. На другом конце периодической таблицы, как предполагалось, ядро золота с массой в 197 раз больше массы водорода содержит 118 ядерных электронов в ядре, что дает ему остаточный заряд +79, что соответствует его атомному номеру.
Все рассмотрение ядерных электронов закончилось с открытием Джеймсом Чедвиком нейтрона в 1932 году . Теперь считалось, что атом золота содержит 118 нейтронов, а не 118 ядерных электронов, и теперь было решено, что его положительный ядерный заряд полностью обусловлен содержанием 79 протонов. Поскольку Мозли ранее показал, что атомный номер Z элемента равен этому положительному заряду, теперь стало ясно, что Z идентично числу протонов его ядер.
Каждый элемент имеет определенный набор химических свойств, как следствие числа электронов, присутствующих в нейтральном атоме, которое равно Z (атомный номер). Конфигурация этих электронов следует из принципов квантовой механики . Число электронов в электронных оболочках каждого элемента , особенно в самой внешней валентной оболочке , является основным фактором, определяющим его поведение химической связи . Следовательно, только атомный номер определяет химические свойства элемента; и именно по этой причине элемент можно определить как состоящий из любой смеси атомов с заданным атомным номером.
Поиск новых элементов обычно описывается с использованием атомных номеров. По состоянию на 2024 год были обнаружены все элементы с атомными номерами от 1 до 118. Синтез новых элементов осуществляется путем бомбардировки целевых атомов тяжелых элементов ионами, так что сумма атомных номеров целевых и ионных элементов равняется атомному номеру создаваемого элемента. В общем, период полураспада нуклида становится короче по мере увеличения атомного номера, [ необходима ссылка ] хотя неоткрытые нуклиды с определенными « магическими » числами протонов и нейтронов могут иметь относительно более длинные периоды полураспада и составлять остров стабильности .
Также был предложен гипотетический элемент, состоящий только из нейтронов, нейтроний , имеющий атомный номер 0 [8] , но он никогда не наблюдался.
