Opkrævningsnummer

Atomkernens ladningsnummer (synonymer: atomnummer , atomnummer , ordenstal for et kemisk grundstof ) er antallet af protoner i atomkernen. Ladningstallet er lig med ladningen af ​​kernen i enheder af elementær ladning og er samtidig lig med ordenstallet for den tilsvarende kerne af et kemisk grundstof i det periodiske system . Normalt angivet med bogstavet Z .

Udtrykket "atomart" eller "atomnummer" er almindeligt brugt i atomfysik og kemi , mens det tilsvarende udtryk "ladningstal" er i kernefysik . I et ikke-ioniseret atom falder antallet af elektroner i elektronskallerne sammen med ladningstallet.

Kerner med samme ladningstal, men forskelligt massetal A (som er lig med summen af ​​antallet af protoner Z og antallet af neutroner N ) er forskellige isotoper af det samme kemiske grundstof, da det er kernens ladning, der bestemmer strukturen af ​​atomets elektronskal og følgelig dets kemiske egenskaber. Mere end tre fjerdedele af kemiske grundstoffer eksisterer i naturen som en blanding af isotoper (se Monoisotopisk grundstof ), og den gennemsnitlige isotopiske masse af en isotopblanding af et grundstof (kaldet relativ atommasse ) i et bestemt miljø på Jorden bestemmer standard atomarten masse af et grundstof (tidligere brugt navnet "atomvægt" ). Historisk set var det disse atomvægte af grundstofferne (sammenlignet med brint), der var de mængder, som kemikere målte i det 19. århundrede.

Da protoner og neutroner har omtrent samme masse ( elektronernes masse er ubetydelig sammenlignet med deres masse), og den nukleonbindende massedefekt altid er lille sammenlignet med nukleonens masse, er værdien af ​​ethvert atoms atommasse, udtrykt i atommasseenheder , er inden for 1 % fra et A.

Historie

Periodisk system og serienumre for hvert element

Søgningen efter et grundlag for den naturlige klassificering og systematisering af kemiske grundstoffer, baseret på forholdet mellem deres fysiske og kemiske egenskaber med atomvægt, har været iværksat i lang tid. I 1860'erne udkom en række værker, der forbinder disse karakteristika - Chancourtois- spiralen , Newlands - bordet, Odling- og Meyer -tabellerne , men ingen af ​​dem gav en entydig udtømmende beskrivelse af mønsteret. Den russiske kemiker D. I. Mendeleev formåede at gøre dette . Den 6. marts 1869 ( 18. marts 1869 ) blev Mendeleevs budskab læst om hans opdagelse af den periodiske lov for kemiske grundstoffer [1] på et møde i det russiske kemiske samfund , og snart hans artikel "Relation of propertys with the atomic vægt af elementer" blev offentliggjort i Journal of Russian Physics and Chemical Society " [2] . Samme år udkom den første udgave af Mendeleevs lærebog "Fundamentals of Chemistry", hvor hans periodiske system blev givet. I en artikel dateret 29. november 1870 ( 11. december 1870 ), offentliggjort i Journal of the Russian Chemical Society under titlen "Det naturlige system af grundstoffer og dets anvendelse til at angive egenskaberne af uopdagede grundstoffer", brugte Mendeleev først udtrykket "periodisk lov" og pegede på eksistensen af ​​flere endnu ikke opdagede grundstoffer [3] .

I sine værker arrangerede Mendeleev grundstofferne i rækkefølgen efter deres atomvægte, men samtidig afveg han bevidst fra denne regel ved at placere tellur (atomvægt 127,6) foran jod (atomvægt 126,9) [4] , hvilket forklarede ved at grundstoffernes kemiske egenskaber. Et sådant arrangement af elementer er legitimt under hensyntagen til deres debiteringsnummer Z , som var ukendt for Mendeleev. Den efterfølgende udvikling af atomkemi bekræftede rigtigheden af ​​videnskabsmandens gæt.

Modeller af atomet af Rutherford-Bohr og Van den Broek

I 1911 foreslog den britiske fysiker Ernest Rutherford en model af atomet , ifølge hvilken kernen er placeret i centrum af atomet, der indeholder det meste af atomets masse og en positiv ladning, som i enheder af elektronladning, skal være lig med cirka halvdelen af ​​atomets atomvægt, udtrykt i antallet af hydrogenatomer. Rutherford formulerede sin model baseret på data om guldatomet ( Z = 79 , A = 197 ), og dermed viste det sig, at guld skulle have en kerneladning på omkring 100 (mens atomnummeret for guld i det periodiske system er 79) . En måned efter offentliggørelsen af ​​Rutherfords papir foreslog den hollandske amatørfysiker Antonius van den Broek først, at kerneladningen og antallet af elektroner i et atom skal være nøjagtigt lig med dets serienummer i det periodiske system (alias atomnummer, angivet med Z ). Denne hypotese blev i sidste ende bekræftet.

Men fra den klassiske elektrodynamiks synspunkt, i Rutherfords model, ville en elektron, der bevæger sig rundt i kernen, skulle udstråle energi kontinuerligt og meget hurtigt og, efter at have mistet den, falde ned på kernen. For at løse dette problem foreslog den danske fysiker Niels Bohr i 1913 sin model af atomet. Bohr introducerede antagelsen om, at elektroner i et atom kun kan bevæge sig langs visse (stationære) baner, idet de ikke udstråler energi, og stråling eller absorption sker kun i overgangsøjeblikket fra en bane til en anden. I dette tilfælde er det kun de baner, der er stationære, når de bevæger sig langs hvilke en elektrons vinkelmomentum er lig med et helt tal af Plancks konstanter [5] : .

Moseleys eksperimenter fra 1913 og de "manglende" kemiske elementer

I 1913 besluttede den britiske kemiker Henry Moseley , efter en diskussion med N. Bohr, at teste Van den Broeks og Bohrs hypoteser i et eksperiment [6] . For at gøre dette målte Moseley bølgelængderne af spektrallinjerne af fotoniske overgange (linierne K og L) i aluminium ( Z = 13 ) og guld ( Z = 79 ) atomer brugt som en række mål inde i et røntgenrør [7 ] . Kvadratroden af ​​frekvensen af ​​disse fotoner (røntgenstråler) steg fra det ene mål til det næste i en aritmetisk progression. Dette fik Moseley til at konkludere ( Moseleys lov ), at værdien af ​​atomnummeret næsten svarer (i Moseleys arbejde, med en forskydning på en enhed for K-linjer) til kernens beregnede elektriske ladning, det vil sige værdien af ​​Z . Moseleys eksperimenter viste blandt andet, at rækken af ​​lanthanider (fra lanthan til og med lutetium ) skulle indeholde præcis 15 grundstoffer – hverken mindre eller mere, hvilket langt fra var indlysende for datidens kemikere.

Efter Moseleys død i 1915 blev atomnumrene for alle kendte grundstoffer fra brint til uran ( Z = 92 ) undersøgt ved hans metode. Det blev fundet, at syv kemiske grundstoffer (med Z < 92 ) manglede i det periodiske system, som blev identificeret som endnu ikke opdaget, med atomnumre 43, 61, 72, 75, 85, 87 og 91 [8] . Alle disse syv "manglende" grundstoffer blev opdaget mellem 1918 og 1947: technetium ( Z =43 ), promethium ( Z =61 ), hafnium ( Z =72 ), rhenium ( Z =75 ), astatin ( Z =85 ), francium ( Z = 87 ) og protactinium ( Z = 91 ) [8] . På dette tidspunkt var de første fire transuran-elementer også blevet opdaget , så det periodiske system var fyldt uden huller op til curium ( Z = 96 ).

Protonen og "kerneelektronen"-hypotesen

I 1915 havde det videnskabelige samfund en forståelse af, at ladningstallene Z , de er grundstoffernes serienumre, skulle være et multiplum af ladningen af ​​brintatomets kerne, men der var ingen forklaring på årsagerne for det. Prouts hypotese , formuleret tilbage i 1816, foreslog, at brint er en slags primært stof, hvorfra atomer af alle andre grundstoffer blev dannet ved en slags kondensation og derfor atomvægten af ​​alle grundstoffer, såvel som ladningerne af deres kerner, skal måles i heltal. Men i 1907 viste eksperimenterne fra Rutherford og Royds at alfapartikler med en ladning på +2 er kernerne af heliumatomer, hvis masse overstiger brintmassen med fire, ikke to gange. Hvis Prouts hypotese er korrekt, så må noget have neutraliseret ladningerne af brintkerner, der er til stede i kernerne af tungere atomer.

I 1917 (i eksperimenter offentliggjort i 1919 og 1925) beviste Rutherford, at en brintkerne var til stede i andre kerner; dette resultat tolkes normalt som opdagelsen af ​​protoner [9] . Disse eksperimenter begyndte efter, at Rutherford bemærkede, at når alfapartikler blev kastet i luften (for det meste nitrogen), opfangede detektorer spor af typiske brintkerner. Efter at have eksperimenteret sporede Rutherford reaktionen på nitrogen i luften og fandt ud af, at når alfapartikler blev indført i ren nitrogengas, var effekten større. I 1919 foreslog Rutherford, at en alfapartikel slog en proton ud af nitrogen og forvandlede den til kulstof . Efter at have observeret Blackett-kamerabilleder i 1925, indså Rutherford, at det modsatte var sket: efter at have fanget en alfapartikel, udstødes protonen, så tung ilt , ikke kulstof, er slutresultatet, det vil sige, at Z ikke falder, men øges. Dette var den første nukleare reaktion beskrevet : 14N + α → 17O + p.

Rutherford navngav de nye tunge nukleare partikler protoner i 1920 (alternative navne blev foreslået - "protoner" og "protyler"). Det fulgte af Moseleys arbejde, at kernerne af tunge atomer havde mere end dobbelt så stor masse som, hvad man ville forvente, hvis de kun var sammensat af brintkerner, og derfor var en forklaring nødvendig for "neutraliseringen" af de formodede ekstra protoner, der var til stede i alle tunge kerner. I den forbindelse blev der fremsat en hypotese om de såkaldte "kerneelektroner". Man antog således, at heliumkernen består af fire protoner og to "kerneelektroner", der neutraliserer ladningen af ​​to protoner. I tilfælde af guld med en atommasse på 197 og en ladning på 79, som tidligere blev betragtet af Rutherford, blev det antaget, at guldatomets kerne indeholdt 118 af disse "kerneelektroner".

Opdagelse af neutronen og dens betydning

Fejlen af ​​"kerneelektron"-hypotesen blev tydelig efter opdagelsen af ​​neutronen af James Chadwick i 1932 [10] . Tilstedeværelsen af ​​neutroner i atomkernerne forklarede let uoverensstemmelsen mellem atomvægten og atomets ladningsnummer: for eksempel indeholder et guldatom 118 neutroner, ikke 118 nukleare elektroner, og kernens positive ladning består udelukkende af 79 protoner. Efter 1932 kom atomnummeret for et grundstof, Z , således til at blive betragtet som antallet af protoner i dets kerne.

Symbol Z

Debiteringsnummeret er normalt angivet med bogstavet Z , fra det. atom z ahl  - "atomnummer", "atomnummer" [11] Det konventionelle symbol Z kommer sandsynligvis fra det tyske ord Atomzahl (atomnummer) [12] , der betegner et tal, der tidligere blot betegnede ordenspositionen af ​​et grundstof i periodisk system, og som omtrent (men ikke nøjagtigt) svarede til grundstoffernes rækkefølge i stigende rækkefølge efter deres atomvægte. Først efter 1915, da det blev bevist, at tallet Z også er størrelsen af ​​kernens ladning og atomets fysiske karakteristika, blev det tyske ord Atomzahl (og dets engelske ækvivalent , engelsk Atomic number ) meget brugt i dette sammenhæng.   

Kemiske egenskaber

Hvert grundstof har et bestemt sæt af kemiske egenskaber som en konsekvens af antallet af elektroner til stede i et neutralt atom, som er Z (atomnummer). Konfigurationen af ​​elektroner i et atom følger af kvantemekanikkens principper . Antallet af elektroner i hvert elements elektronskaller, især den yderste valensskal , er den vigtigste faktor, der bestemmer dets kemiske bindinger. Derfor er det kun atomnummeret, der bestemmer et grundstofs kemiske egenskaber, og derfor kan et grundstof defineres som bestående af en hvilken som helst blanding af atomer med et givet atomnummer.

Nye elementer

Når forskerne søger efter nye elementer, bliver forskerne styret af ideer om ladningsnumrene for disse elementer. Fra udgangen af ​​2019 blev alle grundstoffer opdaget med ladningsnumre fra 1 til 118. Syntesen af ​​nye grundstoffer udføres ved at bombardere målatomer af tunge grundstoffer med ioner på en sådan måde, at summen af ​​målets ladningstal atom og "projektil"-ionen er lig med ladningstallet for det skabte element. Som regel bliver halveringstiden for et grundstof kortere med stigende atomnummer, selvom der for ustuderede isotoper med et vist antal protoner og neutroner kan eksistere såkaldte " øer af stabilitet " [13] .

Se også

Noter

  1. ↑ Trifonov D. N. Mendeleevs mislykkede tale (6. marts (18.), 1869) Arkivkopi dateret 18. marts 2014 på Wayback Machine // Chemistry, nr. 04 (699), 02/16-28, 2006
  2. ↑ Mendeleev D. I. Korrelation af egenskaber med grundstoffernes atomvægt  // Journal of the Russian Chemical Society. - 1869. - T. I. - S. 60-77 . Arkiveret fra originalen den 18. marts 2014.
  3. ↑ Mendeleev D. I. Det naturlige system af grundstoffer og dets anvendelse til at angive egenskaberne af uopdagede grundstoffer  // Journal of the Russian Chemical Society . - 1871. - T. III . - S. 25-56 . Arkiveret fra originalen den 17. marts 2014.
  4. ↑ Periodisk lov om kemiske elementer // En ung kemikers Encyclopedic Dictionary . 2. udg. / Komp. V. A. Kritsman, V. V. Stanzo. - M . : Pædagogik , 1990. - S. 185 . — ISBN 5-7155-0292-6 .
  5. ↑ Planetarisk model af atomet. Bohrs postulater Arkiveret 21. februar 2009 på Wayback Machine på Natural Sciences Portal Arkiveret 26. november 2009 på Wayback Machine
  6. ↑ Bestilling af grundstofferne i det periodiske system arkiveret 4. marts 2016 på Wayback Machine , Royal Chemical Society
  7. ↑ Moseley HGJ XCIII . Grundstoffernes højfrekvensspektre  (engelsk)  // Philosophical Magazine , Series 6. - 1913. - Vol. 26 , nr. 156 . — S. 1024 . - doi : 10.1080/14786441308635052 . Arkiveret fra originalen den 22. januar 2010.
  8. ↑ 1 2 Scerri E. En fortælling om syv elementer  . - Oxford University Press, 2013. - S.  47 . — ISBN 978-0-19-539131-2 .
  9. ↑ Petrucci RH, Harwood WS, Herring FG General Chemistry  . - 8. udgave - Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 2002. - S. 41.
  10. ↑ Chadwick J. Existence of a Neutron  // Proceedings of the Royal Society A  . - 1932. - Bd. 136 , nr. 830 . - S. 692-708 . - doi : 10.1098/rspa.1932.0112 . - .
  11. ↑ Generel kemi online: FAQ: Atomer, grundstoffer og ioner: Hvorfor kaldes atomnummer "Z"? Hvorfor kaldes massetal "A"? . antoine.frostburg.edu. Hentet 8. marts 2019. Arkiveret fra originalen 16. januar 2000.
  12. ↑ Symbolets oprindelse Z Arkiveret 16. januar 2000 på Wayback Machine . frostburg.edu
  13. ↑ Øen af ​​stabilitet uden for det periodiske system . Hentet 29. november 2019. Arkiveret fra originalen 21. november 2018.
  Gå til Wikidata-elementet  Ordbøger og encyklopædier
I bibliografiske kataloger