Атомный номер или число заряда ядра (символ Z ) химического элемента — это число заряда атомного ядра . Для обычных ядер, состоящих из протонов и нейтронов , это число равно числу протонов ( n p ) или числу протонов, находящихся в ядре каждого атома этого элемента. Атомный номер можно использовать для однозначной идентификации обычных химических элементов . В обычном незаряженном атоме атомный номер также равен числу электронов .
Для обычного атома, который содержит протоны, нейтроны и электроны , сумма атомного номера Z и нейтронного номера N дает атомное массовое число атома A. Поскольку протоны и нейтроны имеют примерно одинаковую массу (а масса электронов во многих целях пренебрежимо мала) и дефект массы связи нуклона всегда мал по сравнению с массой нуклона, атомная масса любого атома, выраженная в дальтонах (составляющая величину, называемую « относительной изотопной массой »), находится в пределах 1% от целого числа А.
Атомы с одинаковым атомным номером, но с разными числами нейтронов и, следовательно, с разными массовыми числами, известны как изотопы . Чуть более трех четвертей встречающихся в природе элементов существует в виде смеси изотопов (см. моноизотопные элементы ), а средняя изотопная масса изотопной смеси элемента (называемая относительной атомной массой) в определенной среде на Земле определяет стандартный атомный вес элемента . Исторически сложилось так, что именно эти атомные веса элементов (по сравнению с водородом) были величинами, которые химики могли измерить в XIX 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 в то время был приблизительно, но не полностью последовательным. с порядком 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 атомного номера ) стало широко использоваться в этом контексте.
Приведенные выше 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 утверждал, что свои первые таблицы Менделеева (впервые опубликованные 6 марта 1869 года) он расположил 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 расположение соответствует современной практике упорядочивания элементов по числу протонов Z , но в то время это число не было известно и не подозревалось.
Простая нумерация, основанная на положении таблицы Менделеева, никогда не была полностью удовлетворительной. В дополнение к случаю йода и теллура, позже было показано, что несколько других пар элементов (таких как аргон и калий , кобальт и никель ) имеют почти одинаковые или перевернутые атомные массы, что требует определения их места в периодической таблице по методу их химические свойства. Однако постепенная идентификация все более и более химически подобных элементов -лантанидов , атомный номер которых не был очевиден, привела 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 удерживает большую часть массы атома и имеет положительный заряд, который в единицах заряда электрона должен был примерно равняться половине атомного веса атома, выраженного в числа атомов водорода. Таким образом, этот центральный заряд должен был составлять примерно половину атомного веса (хотя он почти на 25% отличался от атомного номера золота ( Z = 79 , A = 197 ), единственного элемента, на основе которого Резерфорд сделал свое предположение). Тем не менее, несмотря на оценку Резерфорда, что золото имеет центральный заряд около 100 (но в периодической таблице это элемент Z = 79 ), через месяц после появления статьи Резерфорда Антониус ван ден Брук впервые формально предположил, что центральный заряд и число элементов количество электронов в атоме было точно равно его месту в периодической таблице (также известному как номер элемента, атомный номер и обозначаемое Z ). В конечном итоге это оказалось так.
Экспериментальная ситуация резко улучшилась после исследований Генри Мозли в 1913 году . непосредственно гипотезу ден Брока и Бора, 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), создаваемых элементами от алюминия ( Z = 13) до золота ( Z = 79), используемых в качестве серии подвижных анодных мишеней внутри рентгеновского аппарата. трубка . [4] Квадратный корень из частоты этих фотонов (рентгеновских лучей) увеличивался от одной цели к другой в арифметической прогрессии. Это привело к выводу ( закон Мозли ), что атомный номер действительно близко соответствует (со смещением на одну единицу для К-линий, в работе Мозли) расчетному электрическому заряду ядра, т. е. номеру элемента Z. Среди прочего, Мозли показал, что ряд лантаноидов (от лантана до лютеция включительно) должен состоять из 15 членов — не меньше и не больше, — что было далеко не очевидно для известной химии того времени.
После смерти Мозли в 1915 году его методом были исследованы атомные номера всех известных элементов от водорода до урана ( Z = 92). Было семь элементов (с Z < 92), которые не были обнаружены и поэтому идентифицированы как еще не открытые, соответствующие атомным номерам 43, 61, 72, 75, 85, 87 и 91. [5] С 1918 по 1947 год все семь элементов эти недостающие элементы были обнаружены. [6] К этому времени были также открыты первые четыре трансурановых элемента, так что таблица Менделеева была полной, без пробелов вплоть до кюрия ( Z = 96).
В 1915 году не была понятна причина квантования заряда ядра в единицах Z , которые теперь считались такими же, как номер элемента. Старая идея, называемая гипотезой Праута, постулировала, что все элементы состоят из остатков (или «протилов») легчайшего элемента водорода, который в модели Бора-Резерфорда имел один электрон и заряд ядра, равный единице. Однако еще в 1907 году Резерфорд и Томас Ройдс показали, что альфа-частицы с зарядом +2 являются ядрами атомов гелия, масса которых в четыре раза превышает массу водорода, а не в два раза. Если бы гипотеза Праута была верна, что-то должно было нейтрализовать часть заряда ядер водорода, присутствующего в ядрах более тяжелых атомов.
В 1917 году Резерфорду удалось получить ядра водорода в результате ядерной реакции между альфа-частицами и газообразным азотом [7] и он считал, что доказал закон Праута. В 1920 году он назвал новые тяжелые ядерные частицы протонами (альтернативные названия — протоны и протилы). Из работ Мозли сразу же стало очевидно, что ядра тяжелых атомов имеют более чем в два раза большую массу, чем можно было бы ожидать, если бы они состояли из ядер водорода , и поэтому требовалась гипотеза нейтрализации дополнительных протонов , предполагаемых присутствует во всех тяжелых ядрах. Предполагалось, что ядро гелия состоит из четырех протонов плюс двух «ядерных электронов» (электронов, связанных внутри ядра), чтобы компенсировать два заряда. На другом конце периодической таблицы считалось, что ядро золота с массой в 197 раз больше массы водорода содержит 118 ядерных электронов в ядре, что дает ему остаточный заряд +79, соответствующий его атомному номеру.
Все рассмотрения ядерных электронов закончились открытием Джеймсом Чедвиком нейтрона в 1932 году. Теперь считалось, что атом золота содержит 118 нейтронов, а не 118 ядерных электронов, и теперь стало понятно, что его положительный ядерный заряд полностью происходит из содержимого 79 протонов. Поскольку ранее Мозли показал, что атомный номер элемента Z равен этому положительному заряду, теперь стало ясно, что Z идентичен числу протонов его ядер.
Каждый элемент имеет определенный набор химических свойств в зависимости от количества электронов, присутствующих в нейтральном атоме, который равен Z (атомный номер). Конфигурация этих электронов следует из принципов квантовой механики . Количество электронов в электронных оболочках каждого элемента , особенно в самой внешней валентной оболочке , является основным фактором, определяющим поведение его 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 данным атомным номером.
Поиски новых элементов обычно описываются атомными номерами. По состоянию на 2024 год наблюдались все элементы с атомными номерами от 1 до 118 . Синтез новых элементов осуществляется бомбардировкой целевых атомов тяжелых элементов ионами так, чтобы сумма атомных номеров целевого и ионного элементов равнялась атомному номеру создаваемого элемента. В общем, период полураспада нуклида становится короче по мере увеличения атомного номера, хотя неоткрытые нуклиды с определенным « магическим » числом протонов и нейтронов могут иметь относительно более длительный период полураспада и составлять остров стабильности .
Гипотетический элемент, состоящий только из нейтронов, также был предложен и имел атомный номер 0, [8] , но никогда не наблюдался.
