Protonové číslo - Atomic number

Vysvětlení horních a dolních indexů viděných v zápisu atomových čísel. Atomové číslo je počet protonů, a tedy také celkový kladný náboj, v atomovém jádru.
Rutherford-Bohrův model z atomu vodíku ( Z = 1 ), nebo atom vodíku, jako je iont ( Z > 1 ). V tomto modelu je zásadním znakem, že energie fotonu (nebo frekvence) elektromagnetického záření emitovaného (znázorněného), když elektron přeskakuje z jednoho orbitálu na druhý, je úměrná matematickému čtverci atomového náboje ( Z 2 ). Experimentální měření tohoto záření Henrym Moseleyem pro mnoho prvků (od Z = 13 do 92 ) ukázalo výsledky podle předpovědi Bohra. Vědeckou důvěryhodnost tak získala koncepce atomového čísla i Bohrův model.

Atomové číslo nebo protonové číslo (symbol Z ) z chemického prvku je počet protonů nalezených v jádru každého atomu tohoto prvku. Atomové číslo jednoznačně identifikuje chemický prvek . Je identický s nábojovým číslem jádra. V nenabitém atomu se atomové číslo také rovná počtu elektronů .

Součet atomového čísla Z a počtu neutronů N udává hmotnostní číslo A atomu. Vzhledem k tomu, protony a neutrony mají přibližně stejnou hmotnost (a hmotnost elektronů je zanedbatelný k mnoha účelům) a hmotnostní defekt ze nukleonu vázání je vždy malá ve srovnání s nukleonů hmotnosti, atomová hmotnost jakéhokoliv atomu, když je exprimován v sjednocené atomové hmotnostních jednotek (výroba množství nazývá „ relativní izotopu hmota “), je v rozmezí 1% z celkového počtu A .

Atomy se stejným atomovým číslem, ale různými neutronovými čísly, a tedy s různými hmotnostními čísly, se nazývají izotopy . O něco více než tři čtvrtiny přirozeně se vyskytujících prvků existují jako směs izotopů (viz monoisotopické prvky ) a průměrná izotopová hmotnost izotopové směsi pro prvek (nazývaný relativní atomová hmotnost) v definovaném prostředí na Zemi určuje standardní atomová hmotnost prvku . Historicky to byly tyto atomové hmotnosti prvků (ve srovnání s vodíkem), které byly v 19. století měřitelné chemiky.

Konvenční symbol Z pochází z německého slova Z ahl „číslo“, které před moderní syntézou myšlenek z chemie a fyziky pouze označovalo číselné místo prvku v periodické tabulce , jejíž pořadí je přibližně, ale ne zcela, v souladu s pořadí prvků podle atomových hmotností. Teprve po roce 1915 se v této souvislosti začalo běžně používat slovo Atom z ahl (a jeho anglické ekvivalentní atomové číslo ) s návrhem a důkazem, že toto číslo Z je také jaderným nábojem a fyzikální charakteristikou atomů .

Dějiny

Periodická tabulka a přirozené číslo pro každý prvek

Ruský chemik Dmitrij Mendělejev , tvůrce periodické tabulky.

Volně řečeno, existence nebo konstrukce periodické tabulky prvků vytváří uspořádání prvků, a tak je lze číslovat v pořadí.

Dmitrij Mendělejev tvrdil, že uspořádal své první periodické tabulky (poprvé publikované 6. března 1869) podle atomové hmotnosti („Atomgewicht“). S ohledem na pozorované chemické vlastnosti prvků však mírně změnil pořadí a umístil tellur (atomová hmotnost 127,6) před jod (atomová hmotnost 126,9). Toto umístění je v souladu s moderní praxí uspořádání prvků podle protonového čísla Z , ale toto číslo nebylo v té době známé ani podezřelé.

Jednoduché číslování založené na pozici periodické tabulky však nikdy nebylo zcela uspokojivé. Kromě případu jodu a telluru bylo později známo několik dalších párů prvků (jako je argon a draslík , kobalt a nikl ), které mají téměř identické nebo obrácené atomové hmotnosti, což vyžadovalo, aby jejich umístění v periodické tabulce bylo určeno jejich chemickými látkami vlastnosti. Postupná identifikace stále více chemicky podobných lanthanidových prvků, jejichž atomové číslo nebylo zřejmé, však vedla k nekonzistenci a nejistotě v periodickém číslování prvků alespoň od lutetia (prvek 71) dále ( hafnium v této době nebylo známo).

Model Rutherford-Bohr a van den Broek

V roce 1911 Ernest Rutherford poskytl model atomu, ve kterém centrální jádro drželo většinu hmotnosti atomu a kladný náboj, který se v jednotkách elektronového náboje měl přibližně rovnat polovině atomové hmotnosti atomu, vyjádřené v počet atomů vodíku. Tento centrální náboj by tedy byl přibližně polovinou atomové hmotnosti (i když se téměř 25% lišil od atomového čísla zlata ( Z = 79 , A = 197 ), jediného prvku, ze kterého Rutherford odhadoval). Navzdory Rutherfordovu odhadu, že zlato má centrální náboj asi 100 (ale v periodické tabulce byl prvkem Z = 79 ), měsíc poté, co se objevil Rutherfordův papír, Antonius van den Broek nejprve formálně navrhl, aby centrální náboj a počet elektrony v atomu byly přesně stejné jako jeho místo v periodické tabulce (také známé jako číslo prvku, atomové číslo a symbolizované Z ). Nakonec se ukázalo, že tomu tak je.

Moseleyho experiment z roku 1913

Henry Moseley ve své laboratoři.

Experimentální pozice se dramaticky zlepšila po výzkumu Henryho Moseleye v roce 1913. Moseley, po diskusích s Bohrem, který byl ve stejné laboratoři (a který použil hypotézu Van den Broeka ve svém Bohrově modelu atomu), se rozhodl otestovat Van den Broek a Bohrova hypotéza přímo, tím, že vidí-li spektrální čáry emitované z excitovaných atomů vybaveny postulation Bohr teorii, že frekvence spektrálních čar je úměrný druhé mocnině z .

Za tímto účelem změřil Moseley vlnové délky nejvnitřnějších fotonových přechodů (linie K a L) produkovaných prvky z hliníku ( Z  = 13) do zlata ( Z  = 79) použitými jako řada pohyblivých anodických cílů uvnitř rentgenového záření trubice . Druhá odmocnina frekvence těchto fotonů (rentgenových paprsků) rostla z jednoho cíle na druhý v aritmetické progresi. To vedlo k závěru, ( Moseley advokátní ), který atomové číslo se téměř shodují (s posunem jedné jednotky pro K-vedení, v Moseley práce) s vypočteným elektrického náboje jádra, tj číslo prvku Z . Moseley mimo jiné předvedl, že řada lanthanoidů (od lanthanu po lutetium včetně) musí mít 15 členů - ne méně a ne více - což v té době zdaleka nebylo zřejmé ze známé chemie.

Chybějící prvky

Po Moseleyově smrti v roce 1915  byla jeho metodou zkoumána atomová čísla všech známých prvků od vodíku po uran ( Z = 92). Sedm prvků (se Z  <92) nebylo nalezeno, a proto byly identifikovány jako dosud neobjevené, což odpovídá atomovým číslům 43, 61, 72, 75, 85, 87 a 91. V letech 1918 až 1947 všech sedm těchto chybějících prvků byly objeveny. Do této doby byly také objeveny první čtyři transuranové prvky, takže periodická tabulka byla kompletní bez mezer, pokud jde o kurium ( Z  = 96).

Proton a myšlenka jaderných elektronů

V roce 1915 nebyl rozuměn důvod kvantování jaderného náboje v jednotkách Z , které byly nyní uznány jako stejné jako číslo prvku. Stará myšlenka nazvaná Proutova hypotéza předpokládala, že všechny prvky byly vyrobeny ze zbytků (neboli „protylů“) nejlehčího prvku vodíku, který v Bohr-Rutherfordově modelu měl jeden elektron a jeden jaderný náboj. Již v roce 1907 však Rutherford a Thomas Royds dokázali, že částice alfa, které mají náboj +2, jsou jádra atomů helia, jejichž hmotnost je čtyřikrát větší než u vodíku, nikoli dvakrát. Pokud byla Proutova hypotéza pravdivá, něco muselo neutralizovat část náboje vodíkových jader přítomných v jádrech těžších atomů.

V roce 1917 se Rutherfordovi podařilo generovat jádra vodíku z jaderné reakce mezi částicemi alfa a plynným dusíkem a věřil, že prokázal Proutův zákon. V roce 1920 nazval nové těžké jaderné částice protony (alternativní názvy jsou proutony a protyly). Z práce Moseleyho bylo okamžitě zřejmé, že jádra těžkých atomů mají více než dvakrát větší hmotnost, než by se dalo očekávat od jejich vytvoření z vodíkových jader, a proto byla požadována hypotéza pro neutralizaci předpokládaných extra protonů přítomný ve všech těžkých jádrech. Předpokládalo se, že jádro helia je složeno ze čtyř protonů plus dvou „jaderných elektronů“ (elektronů vázaných uvnitř jádra), aby se zrušily dva náboje. Na druhém konci periodické tabulky se předpokládalo, že jádro zlata o hmotnosti 197krát větší než vodík obsahuje v jádru 118 jaderných elektronů, což mu poskytne zbytkový náboj +79, což odpovídá jeho atomovému číslu.

Objev neutronu činí Z protonové číslo

Všechny úvahy o nukleárních elektronů skončila James Chadwick ‚s objevem neutronu v roce 1932. atomu zlata dnes byl viděn jako obsahující 118 neutronů spíše než 118 jaderných elektrony a jeho kladný náboj teď byla realizována přijít pouze z obsahu 79 protony. Po roce 1932 bylo proto také realizováno atomové číslo prvku Z , které je totožné s protonovým číslem jeho jader.

Symbol Z

Konvenční symbol Z možná pochází z německého slova Atom z ahl (atomové číslo). Před rokem 1915 však bylo slovo Zahl (jednoduše číslo ) použito pro přiřazené číslo prvku v periodické tabulce.

Chemické vlastnosti

Každý prvek má specifický soubor chemických vlastností v důsledku počtu elektronů přítomných v neutrálním atomu, což je Z (atomové číslo). Konfigurace těchto elektronů vyplývá z principů kvantové mechaniky . Počet elektronů v elektronových obalech každého prvku , zejména v nejvzdálenějším valenčním obalu , je primárním faktorem při určování chování jeho chemické vazby . Proto je to pouze atomové číslo, které určuje chemické vlastnosti prvku; az tohoto důvodu může být prvek definován jako složený z jakékoli směsi atomů s daným atomovým číslem.

Nové prvky

Hledání nových prvků je obvykle popsáno pomocí atomových čísel. V roce 2021 byly pozorovány všechny prvky s atomovými čísly 1 až 118. Syntéza nových prvků se provádí bombardováním cílových atomů těžkých prvků ionty, takže součet atomových čísel cílových a iontových prvků se rovná atomovému číslu vytvářeného prvku. Obecně platí, že poločas rozpadu z nuklidu zkracuje jako atomové číslo se zvětší, když neobjevené nuklidy s některými „ magických “ čísel z protonů a neutronů, může mít relativně delší poločas rozpadu a zahrnují ostrov stability .

Viz také

Reference