В химии правило целых чисел гласит , что массы изотопов являются целыми числами , кратными массе атома водорода . [1] Правило является модифицированной версией гипотезы Праута , предложенной в 1815 году, согласно которой атомные веса являются кратными массе атома водорода. [2] Оно также известно как правило целых чисел Астона [3] в честь Фрэнсиса У. Астона, который был удостоен Нобелевской премии по химии в 1922 году «за открытие с помощью своего масс-спектрографа изотопов в большом количестве нерадиоактивных элементов и за формулировку правила целых чисел». [4]
Закон определенных пропорций был сформулирован Джозефом Прустом около 1800 года [5] и гласит, что все образцы химического соединения будут иметь одинаковый элементный состав по массе. Атомная теория Джона Дальтона расширила эту концепцию и объяснила материю как состоящую из дискретных атомов с одним видом атома для каждого элемента, объединенных в фиксированных пропорциях для образования соединений. [6]
В 1815 году Уильям Праут сообщил о своих наблюдениях, что атомные веса элементов были целыми кратными атомного веса водорода . [7] [8] Затем он выдвинул гипотезу, что атом водорода является фундаментальным объектом, а другие элементы представляют собой комбинацию различного количества атомов водорода. [9]
В 1920 году Фрэнсис В. Астон продемонстрировал с помощью масс-спектрометра , что кажущиеся отклонения от гипотезы Праута в основном обусловлены существованием изотопов . [10] Например, Астон обнаружил, что неон имеет два изотопа с массами, очень близкими к 20 и 22 согласно правилу целых чисел, и предположил, что нецелое значение 20,2 для атомного веса неона обусловлено тем фактом, что природный неон представляет собой смесь примерно 90% неона-20 и 10% неона-22. Вторичной причиной отклонений является энергия связи или дефект массы отдельных изотопов.
В 1920-х годах считалось, что атомное ядро состоит из протонов и электронов, что объясняет несоответствие между атомным номером атома и его атомной массой . [11] [12] В 1932 году Джеймс Чедвик открыл незаряженную частицу с массой, приблизительно равной массе протона, которую он назвал нейтроном . [ 13] Тот факт, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, был быстро принят, и Чедвик был удостоен Нобелевской премии по физике в 1935 году за свое открытие. [14]
Современная форма правила целых чисел заключается в том, что атомная масса данного элементарного изотопа приблизительно равна массовому числу (числу протонов и нейтронов), умноженному на атомную единицу массы (приблизительная масса протона, нейтрона или атома водорода-1). Это правило предсказывает атомную массу нуклидов и изотопов с погрешностью не более 1%, причем большая часть погрешности объясняется дефицитом массы, вызванным энергией связи ядра .