Avgiftsnummer

Atomkärnans laddningsnummer (synonymer: atomnummer , atomnummer , ordningsnummer för ett kemiskt element ) är antalet protoner i atomkärnan. Laddningstalet är lika med laddningen av kärnan i enheter av elementär laddning och är samtidigt lika med ordningsnumret för motsvarande kärna av ett kemiskt element i det periodiska systemet . Betecknas vanligtvis med bokstaven Z .

Termen "atomär" eller "atomnummer" används ofta i atomfysik och kemi , medan motsvarande term "laddningsnummer" är i kärnfysik . I en icke-joniserad atom sammanfaller antalet elektroner i elektronskalen med laddningstalet.

Kärnor med samma laddningstal men olika massatal A (som är lika med summan av antalet protoner Z och antalet neutroner N ) är olika isotoper av samma kemiska grundämne, eftersom det är kärnans laddning som bestämmer strukturen hos atomens elektronskal och följaktligen dess kemiska egenskaper. Mer än tre fjärdedelar av de kemiska grundämnena existerar i naturen som en blandning av isotoper (se Monoisotopiskt grundämne ), och den genomsnittliga isotopiska massan av en isotopblandning av ett grundämne (kallad relativ atommassa ) i en viss miljö på jorden bestämmer standardatomen massa av ett grundämne (använde tidigare namnet "atomvikt" ). Historiskt sett var det dessa atomvikter av grundämnena (jämfört med väte) som var de kvantiteter som kemister uppmätte på 1800-talet.

Eftersom protoner och neutroner har ungefär samma massa ( elektronernas massa är försumbar jämfört med deras massa), och den nukleonbindande massadefekten alltid är liten jämfört med nukleonens massa, uttrycks värdet av atommassan för en atom, uttryckt i atommassaenheter , är inom 1 % från ett A.

Historik

Periodiska systemet och serienummer för varje element

Sökandet efter en grund för den naturliga klassificeringen och systematiseringen av kemiska grundämnen, baserat på förhållandet mellan deras fysikaliska och kemiska egenskaper med atomvikt, har pågått under lång tid. På 1860-talet dök ett antal verk upp som kopplade samman dessa egenskaper - Chancourtois- spiralen , Newlands - bordet, Odling- och Meyer -tabellerna , men inget av dem gav en entydig uttömmande beskrivning av mönstret. Den ryske kemisten D. I. Mendeleev lyckades göra detta . Den 6 mars 1869 ( 18 mars 1869 ), vid ett möte med Russian Chemical Society , lästes Mendeleevs budskap om hans upptäckt av den periodiska lagen för kemiska grundämnen [1] , och snart hans artikel "Relation of properties with the atomic vikt av element" publicerades i Journal of Russian Physics and Chemical Society " [2] . Samma år publicerades den första upplagan av Mendeleevs lärobok "Fundamentals of Chemistry", där hans periodiska system gavs. I en artikel daterad den 29 november 1870 ( 11 december 1870 ), publicerad i Journal of the Russian Chemical Society under rubriken "The natural system of elements and its application to indicating the properties of unexcovered elements", använde Mendeleev först termen "periodisk lag" och pekade på förekomsten av flera ännu inte upptäckta grundämnen [3] .

I sina verk ordnade Mendeleev grundämnena i ordning efter deras atomvikter, men samtidigt avvek han medvetet från denna regel genom att placera tellur (atomvikt 127,6) före jod (atomvikt 126,9) [4] , vilket förklarar detta med grundämnenas kemiska egenskaper. Ett sådant arrangemang av element är legitimt, med hänsyn till deras avgiftsnummer Z , som var okänt för Mendeleev. Den efterföljande utvecklingen av atomkemi bekräftade riktigheten av forskarens gissning.

Modeller av atomen av Rutherford-Bohr och Van den Broek

1911 föreslog den brittiske fysikern Ernest Rutherford en modell av atomen , enligt vilken kärnan är belägen i atomens centrum, innehållande det mesta av atomens massa och en positiv laddning, som, i enheter av elektronladdning, bör vara lika med ungefär hälften av atomens atomvikt, uttryckt i antalet väteatomer. Rutherford formulerade sin modell utifrån data om guldatomen ( Z = 79 , A = 197 ), och därmed visade det sig att guld borde ha en kärnladdning på cirka 100 (medan atomnumret för guld i det periodiska systemet är 79) . En månad efter publiceringen av Rutherfords tidning föreslog den holländska amatörfysikern Antonius van den Broek först att kärnladdningen och antalet elektroner i en atom måste vara exakt lika med dess serienummer i det periodiska systemet (aka atomnummer, betecknat med Z ). Denna hypotes bekräftades till slut.

Men ur den klassiska elektrodynamikens synvinkel, i Rutherfords modell, skulle en elektron som rör sig runt kärnan behöva utstråla energi kontinuerligt och mycket snabbt och, efter att ha förlorat den, falla ner på kärnan. För att lösa detta problem föreslog den danske fysikern Niels Bohr 1913 sin modell av atomen. Bohr introducerade antagandet att elektroner i en atom endast kan röra sig längs vissa (stationära) banor, eftersom de inte utstrålar energi, och strålning eller absorption sker endast vid övergångsögonblicket från en bana till en annan. I det här fallet är endast de banor stationära, när de rör sig längs vilka en elektrons rörelsemängd är lika med ett heltal av Plancks konstanter [5] : .

Moseleys experiment från 1913 och de "saknade" kemiska elementen

År 1913 beslöt den brittiske kemisten Henry Moseley , efter en diskussion med N. Bohr, att testa Van den Broeks och Bohrs hypoteser i ett experiment [6] . För att göra detta mätte Moseley våglängderna för spektrallinjerna för fotoniska övergångar (linjerna K och L) i aluminium ( Z = 13 ) och guld ( Z = 79 ) atomer som används som en serie mål inuti ett röntgenrör [7 ] . Kvadratroten av frekvensen av dessa fotoner (röntgenstrålar) ökade från ett mål till ett annat i en aritmetisk progression. Detta fick Moseley att dra slutsatsen ( Moseleys lag ) att värdet på atomnumret nästan motsvarar (i Moseleys verk, med en enhetsförskjutning för K-linjer) den beräknade elektriska laddningen av kärnan, det vill säga värdet på Z . Moseleys experiment visade bland annat att serien av lantanider (från lantan till och med lutetium ) borde innehålla exakt 15 grundämnen – varken mindre och inte fler, vilket var långt ifrån självklart för den tidens kemister.

Efter Moseleys död 1915 undersöktes atomnumren för alla kända grundämnen från väte till uran ( Z = 92 ) med hans metod. Man fann att sju kemiska grundämnen (med Z < 92 ) saknades i det periodiska systemet, vilka identifierades som ännu inte upptäckta, med atomnummer 43, 61, 72, 75, 85, 87 och 91 [8] . Alla dessa sju "saknade" grundämnen upptäcktes mellan 1918 och 1947: teknetium ( Z =43 ), prometium ( Z =61 ), hafnium ( Z =72 ), rhenium ( Z =75 ), astatin ( Z =85 ), francium ( Z = 87 ) och protactinium ( Z = 91 ) [8] . Vid denna tidpunkt hade de första fyra transuranelementen också upptäckts , så det periodiska systemet fylldes utan luckor upp till curium ( Z = 96 ).

Hypotesen för protonen och "kärnelektronen"

År 1915 hade det vetenskapliga samfundet en förståelse för det faktum att laddningsnumren Z , de är grundämnenas serienummer, borde vara en multipel av laddningen av kärnan i väteatomen, men det fanns ingen förklaring till orsakerna för detta. Prouts hypotes , formulerad redan 1816, föreslog att väte är någon form av primär materia, från vilken atomer av alla andra grundämnen bildades genom en slags kondensation och därför atomvikterna för alla grundämnen, såväl som laddningarna av deras kärnor, bör mätas i heltal. Men 1907 visade experimenten från Rutherford och Royds att alfapartiklar med en laddning på +2 är kärnorna av heliumatomer, vars massa överstiger massan av väte med fyra, inte två gånger. Om Prouts hypotes stämmer måste något ha neutraliserat laddningarna av vätekärnor som finns i kärnorna hos tyngre atomer.

1917 (i experiment publicerade 1919 och 1925) bevisade Rutherford att en vätekärna fanns i andra kärnor; detta resultat brukar tolkas som upptäckten av protoner [9] . Dessa experiment började efter att Rutherford märkte att när alfapartiklar kastades i luften (mestadels kväve), plockade detektorer upp spår av typiska vätekärnor. Efter att ha experimenterat spårade Rutherford reaktionen på kväve i luften och fann att när alfapartiklar infördes i ren kvävgas var effekten större. 1919 föreslog Rutherford att en alfapartikel slog ut en proton ur kväve och förvandlade den till kol . Efter att ha observerat Blackett-kamerabilder 1925 insåg Rutherford att motsatsen hade hänt: efter att ha fångat en alfapartikel stöts protonen ut, så tungt syre , inte kol, är slutresultatet, det vill säga Z minskar inte utan ökar. Detta var den första kärnreaktionen som beskrivs : 14N + α → 17O + p.

Rutherford döpte de nya tunga kärnpartiklarna till protoner 1920 (alternativa namn föreslogs - "protoner" och "protyler"). Det följde av Moseleys arbete att kärnorna i tunga atomer hade mer än dubbelt så stor massa som vad som skulle förväntas om de endast bestod av vätekärnor, och därför behövdes en förklaring för "neutraliseringen" av de förmodade extra protonerna som finns i alla tunga kärnor. I detta avseende lades en hypotes fram om de så kallade "kärnelektronerna". Man antog alltså att heliumkärnan består av fyra protoner och två "kärnelektroner" som neutraliserar laddningen av två protoner. När det gäller guld med en atommassa på 197 och en laddning på 79, som tidigare ansetts av Rutherford, antogs det att guldatomens kärna innehöll 118 av dessa "kärnelektroner".

Upptäckt av neutronen och dess betydelse

Misslyckandet med hypotesen om "kärnelektroner" blev uppenbart efter upptäckten av neutronen av James Chadwick 1932 [10] . Närvaron av neutroner i atomkärnorna förklarade lätt skillnaden mellan atomvikten och atomens laddningsnummer: till exempel innehåller en guldatom 118 neutroner, inte 118 kärnelektroner, och kärnans positiva laddning består helt av 79 protoner. Sålunda, efter 1932, kom atomnumret för ett grundämne, Z , att betraktas som antalet protoner i dess kärna.

Symbol Z

Avgiftsnumret betecknas vanligtvis med bokstaven Z , från det. atom z ahl  - "atomnummer", "atomnummer" [11] Den konventionella symbolen Z kommer troligen från det tyska ordet Atomzahl (atomnummer) [12] , vilket betecknar ett tal som tidigare helt enkelt betecknade ordningspositionen för ett element i periodiska systemet och som ungefär (men inte exakt) motsvarade grundämnenas ordning i stigande ordning efter deras atomvikter. Först efter 1915, när det bevisades att talet Z också är storleken på kärnans laddning och atomens fysiska egenskap, blev det tyska ordet Atomzahl (och dess engelska motsvarighet , engelska Atomic number ) allmänt använt i detta sammanhang.   

Kemiska egenskaper

Varje grundämne har en specifik uppsättning kemiska egenskaper som en konsekvens av antalet elektroner som finns i en neutral atom, vilket är Z (atomnummer). Konfigurationen av elektroner i en atom följer av kvantmekanikens principer . Antalet elektroner i varje elements elektronskal, särskilt det yttersta valensskalet , är den huvudsakliga faktorn som bestämmer dess kemiska bindningar. Därför är det bara atomnumret som bestämmer de kemiska egenskaperna hos ett grundämne, och det är därför ett grundämne kan definieras som att det består av vilken blandning av atomer som helst med ett givet atomnummer.

Nya element

När de söker efter nya element styrs forskare av idéer om laddningsnumren för dessa element. Från och med slutet av 2019 upptäcktes alla grundämnen med laddningsnummer från 1 till 118. Syntesen av nya grundämnen utförs genom att man bombarderar målatomer av tunga grundämnen med joner på ett sådant sätt att summan av målets laddningsnummer atom och "projektil"jonen är lika med laddningsnumret för det skapade elementet. Som regel blir halveringstiden för ett grundämne kortare med ökande atomnummer, även om det för ostuderade isotoper med ett visst antal protoner och neutroner kan finnas så kallade " öar av stabilitet " [13] .

Se även

Anteckningar

  1. ↑ Trifonov D. N. Mendeleevs misslyckade tal (6 mars 18, 1869) Arkivkopia daterad 18 mars 2014 på Wayback Machine // Chemistry, nr 04 (699), 02/16-28, 2006
  2. ↑ Mendeleev D. I. Korrelation av egenskaper med grundämnenas atomvikt  // Journal of the Russian Chemical Society. - 1869. - T.I. - S. 60-77 . Arkiverad från originalet den 18 mars 2014.
  3. ↑ Mendeleev D. I. Det naturliga systemet av element och dess tillämpning för att indikera egenskaperna hos oupptäckta element  // Journal of the Russian Chemical Society . - 1871. - T. III . - S. 25-56 . Arkiverad från originalet den 17 mars 2014.
  4. ↑ Periodisk lag för kemiska element // En ung kemists uppslagsbok . 2:a uppl. / Komp. V. A. Kritsman, V. V. Stanzo. - M . : Pedagogy , 1990. - S. 185 . — ISBN 5-7155-0292-6 .
  5. ↑ Planetarisk modell av atomen. Bohrs postulat Arkiverad 21 februari 2009 på Wayback Machine på Natural Sciences Portal Arkiverad 26 november 2009 på Wayback Machine
  6. ↑ Beställning av grundämnena i det periodiska systemet arkiverat 4 mars 2016 på Wayback Machine , Royal Chemical Society
  7. ↑ Moseley HGJ XCIII. Grundämnenas högfrekvensspektra  (engelska)  // Philosophical Magazine , Series 6. - 1913. - Vol. 26 , nr. 156 . — S. 1024 . - doi : 10.1080/14786441308635052 . Arkiverad från originalet den 22 januari 2010.
  8. ↑ 1 2 Scerri E. En berättelse om sju element  . - Oxford University Press, 2013. - S.  47 . — ISBN 978-0-19-539131-2 .
  9. ↑ Petrucci RH, Harwood WS, Herring FG General Chemistry  . - 8:e upplagan - Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 2002. - S. 41.
  10. ↑ Chadwick J. Existence of a Neutron  // Proceedings of the Royal Society A  . - 1932. - Vol. 136 , nr. 830 . - s. 692-708 . - doi : 10.1098/rspa.1932.0112 . - .
  11. ↑ Allmän kemi Online: Vanliga frågor: Atomer, grundämnen och joner: Varför kallas atomnummer "Z"? Varför kallas massnummer "A"? . antoine.frostburg.edu. Hämtad 8 mars 2019. Arkiverad från originalet 16 januari 2000.
  12. ↑ Ursprunget till symbolen Z Arkiverad 16 januari 2000 på Wayback Machine . frostburg.edu
  13. ↑ Ö av stabilitet utanför det periodiska systemet . Hämtad 29 november 2019. Arkiverad från originalet 21 november 2018.
  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk
I bibliografiska kataloger