Атомный номер
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 атома дает атомное массовое число 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 « изотопной массой »), находится в пределах 1% от целого числа А. относительной
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 элемента стандартный атомный вес . 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.
История
[ редактировать ]Таблица Менделеева и натуральное число для каждого элемента
[ редактировать ]
Грубо говоря, существование или построение периодической таблицы элементов создает порядок элементов, и поэтому их можно пронумеровать по порядку.
Дмитрий Менделеев рассказал, 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 йоду и теллуру, позже было показано, что несколько других пар элементов (таких как аргон и калий , кобальт и никель ) имеют почти одинаковый или обратный атомный вес, что требует определения их места в периодической таблице с помощью 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).
Модель Резерфорда-Бора и Ван ден Брока.
[ редактировать ]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.
Эксперимент Мозли 1913 года
[ редактировать ]
Экспериментальная ситуация резко улучшилась после исследования 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 напрямую проверить гипотезу Ван ден Брука и Бора, проверив, испускаются ли спектральные линии возбужденными атомами. что частота спектральных линий пропорциональна квадрату Z. соответствовал постулату теории Бора о том ,
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 одну единицу для К-линий, в работе Мозли) расчетному электрическому заряду ядра, т. е. номеру элемента Z. ), что атомный номер действительно близко соответствует (со смещением на Среди прочего Мозли продемонстрировал, 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.
Отсутствующие элементы
[ редактировать ]После смерти Мозли в 1915 году атомные номера всех известных элементов от водорода до урана ( Z его методом были исследованы = 92). Было семь элементов (с Z < 92), которые не были обнаружены и поэтому идентифицированы как еще не открытые, что соответствует атомным номерам 43, 61, 72, 75, 85, 87 и 91. [ 5 ] С 1918 по 1947 год были обнаружены все семь недостающих элементов. [ 6 ] К этому времени были открыты и первые четыре трансурановых элемента, так что таблица Менделеева была полной, без пробелов вплоть до кюрия ( Z = 96).
Протон и идея ядерных электронов
[ редактировать ]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 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 , предположительно 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.
Открытие нейтрона делает Z числом протонов.
[ редактировать ]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 Z элемента равен этому положительному заряду, теперь стало ясно, что Z идентичен числу протонов его ядер.
Химические свойства
[ редактировать ]Каждый элемент имеет определенный набор химических свойств, обусловленный количеством 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.
Новые элементы
[ редактировать ]Поиски новых элементов обычно описываются атомными номерами. все элементы с атомными номерами от 1 до 118 По состоянию на 2024 год наблюдались . Синтез новых элементов осуществляется бомбардировкой целевых атомов тяжелых элементов ионами так, чтобы сумма атомных номеров целевого и ионного элементов равнялась атомному номеру создаваемого элемента. Как правило, период полураспада нуклида становится короче с увеличением атомного номера. [ нужна ссылка ] 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 и имеющий атомный номер 0. Также был предложен [ 8 ] но никогда не наблюдалось.
См. также
[ редактировать ]
- Атомная теория
- Химический элемент – химическое вещество, не состоящее из более простых.
- Эффективный ядерный заряд - измерения в атомной физике
- Эффективный атомный номер (соединения и смеси) - приблизительный атомный номер, рассчитанный для материалов со многими элементами.
- Четные и нечетные атомные ядра - метод классификации ядерной физики.
- История таблицы Менделеева – Развитие таблицы химических элементов
- Список элементов по атомному номеру
- Массовое число - количество тяжелых частиц в атомном ядре.
- Нейтронное число - количество нейтронов в нуклиде.
- Отношение нейтрон-протонов - соотношение нейтронов и протонов в атомном ядре.
- Гипотеза Праута - Ранняя модель атома, не учитывающая дефект массы.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Периодическая таблица элементов. Архивировано 18 августа 2023 года в Wayback Machine , Американский институт физики.
- ↑ Развитие периодической таблицы. Архивировано 26 июля 2012 года в Wayback Machine , Королевское химическое общество.
- ^ Порядок элементов в периодической таблице. Архивировано 4 марта 2016 г. в Wayback Machine , Королевское химическое общество.
- ^ Мозли, HGJ (1913). «XCIII.Высокочастотные спектры элементов» . Философский журнал . Серия 6. 26 (156): 1024–1034. дои : 10.1080/14786441308635052 . Архивировано (PDF) из оригинала 8 июля 2023 года . Проверено 12 декабря 2023 г.
- ^ Эрик Шерри , Повесть о семи элементах (Oxford University Press, 2013) ISBN 978-0-19-539131-2 , стр.47.
- ^ Ребята из Шерри. 3–9 (одна глава на элемент)
- ^ Эрнест Резерфорд | NZHistory.net.nz, онлайн-история Новой Зеландии. Архивировано 1 декабря 2012 года в Wayback Machine . Nzhistory.net.nz (19 октября 1937 г.). Проверено 26 января 2011 г.
- ^ фон Антропов, А. (1926). «Новая форма периодической системы элементов». Журнал прикладной химии (на немецком языке). 39 (23): 722–725. Бибкод : 1926АнгЧ..39..722В . дои : 10.1002/anie.19260392303 .
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
