Atomnummer - Atomic number

En forklaring på overskriftene og abonnementene som er sett i atomnummernotasjon. Atomnummer er antallet protoner, og derfor også den totale positive ladningen, i atomkjernen.
Den Rutherford-Bohr modell av den hydrogenatom ( Z = 1 ) eller en hydrogen-ion-lignende ( Z > 1 ). I denne modellen er det et vesentlig trekk at fotonergien (eller frekvensen) til den elektromagnetiske strålingen som sendes ut (vist) når et elektron hopper fra en orbital til en annen, er proporsjonal med den matematiske kvadratet til atomladning ( Z 2 ). Eksperimentell måling av Henry Moseley av denne strålingen for mange elementer (fra Z = 13 til 92 ) viste resultatene som forutsagt av Bohr. Både begrepet atomnummer og Bohr -modellen ble dermed gitt vitenskapelig troverdighet.

Den atomnummer eller protonnummer (symbol Z ) av et kjemisk element er antallet protoner som finnes i kjernen av hvert atom av elementet. Atomnummeret identifiserer et kjemisk element på en unik måte . Det er identisk med ladningstallet til kjernen. I et uladet atom er atomnummeret også lik antallet elektroner .

Summen av atomnummer Z og antall nøytroner N gir massetallet A til et atom. Siden protoner og nøytroner har omtrent samme masse (og massen til elektronene er ubetydelig for mange formål) og massefeilen ved nukleonbinding er alltid liten sammenlignet med nukleonmassen, atommassen til ethvert atom, når det uttrykkes i enhetlig atom masseenheter (lage en størrelse kalt " relative isotop-mass "), er innenfor 1% av de hele tall A .

Atomer med samme atomnummer, men forskjellige nøytrontall, og dermed forskjellige massetall, er kjent som isotoper . Litt mer enn tre fjerdedeler av naturlig forekommende elementer eksisterer som en blanding av isotoper (se monoisotopiske elementer ), og den gjennomsnittlige isotopmassen til en isotopblanding for et element (kalt den relative atommassen) i et definert miljø på jorden, bestemmer elementets standard atomvekt . Historisk sett var det disse atomvektene til grunnstoffene (i sammenligning med hydrogen) som var mengdene som var målbare av kjemikere på 1800 -tallet.

Det konvensjonelle symbolet Z kommer fra det tyske ordet Z ahl 'nummer', som før den moderne syntesen av ideer fra kjemi og fysikk bare angav et elements numeriske plass i det periodiske bordet , hvis rekkefølge er omtrentlig, men ikke helt, i samsvar med elementenes rekkefølge etter atomvekter. Først etter 1915, med antydningen og beviset på at dette Z -tallet også var kjernefysisk ladning og en fysisk egenskap for atomer, ble ordet Atom z ahl (og dets engelske ekvivalente atomnummer ) til vanlig bruk i denne sammenhengen.

Historie

Det periodiske system og et naturlig tall for hvert element

Den russiske kjemikeren Dmitri Mendeleev , skaperen av det periodiske systemet.

Løst sett skaper eksistensen eller konstruksjonen av et periodisk tabell med elementer en rekkefølge av elementene, og slik kan de nummereres i rekkefølge.

Dmitri Mendeleev hevdet at han arrangerte sine første periodiske tabeller (første gang utgitt 6. mars 1869) i rekkefølge etter atomvekt ("Atomgewicht"). Av hensyn til elementenes observerte kjemiske egenskaper endret han imidlertid rekkefølgen litt og plasserte tellur (atomvekt 127,6) foran jod (atomvekt 126,9). Denne plasseringen er i samsvar med den moderne praksisen med å bestille elementene etter protonnummer, Z , men det tallet var ikke kjent eller mistenkt den gangen.

Niels Bohr , skaperen av Bohr -modellen .

En enkel nummerering basert på periodisk tabellposisjon var imidlertid aldri helt tilfredsstillende. I tillegg til tilfellet med jod og tellur, var det senere kjent at flere andre par grunnstoffer (som argon og kalium , kobolt og nikkel ) hadde nesten identiske eller omvendte atomvekter, noe som krever at deres plassering i det periodiske system ble bestemt av deres kjemiske egenskaper. Imidlertid førte den gradvise identifiseringen av flere og flere kjemisk lignende lanthanidelementer , hvis atomnummer ikke var åpenbart, til inkonsekvens og usikkerhet i den periodiske nummereringen av elementer i det minste fra lutetium (element 71) og fremover ( hafnium var ikke kjent på dette tidspunktet).

Rutherford-Bohr-modellen og van den Broek

I 1911 ga Ernest Rutherford en modell av atomet der en sentral kjerne inneholdt det meste av atommassen og en positiv ladning som i enheter av elektronens ladning skulle være omtrent lik halvparten av atomets atomvekt, uttrykt i antall hydrogenatomer. Denne sentrale ladningen ville dermed være omtrent halvparten av atomvekten (selv om den var nesten 25% forskjellig fra atomnummeret gull ( Z = 79 , A = 197 ), det eneste elementet som Rutherford gjettet). Til tross for Rutherfords estimering om at gull hadde en sentral ladning på omtrent 100 (men var element Z = 79 på det periodiske bordet), en måned etter at Rutherfords papir dukket opp, antydet Antonius van den Broek først formelt at den sentrale ladningen og antall elektroner i et atom var nøyaktig lik stedet i det periodiske systemet (også kjent som elementnummer, atomnummer og symbolisert Z ). Dette viste seg etter hvert å være tilfelle.

Moseleys eksperiment fra 1913

Henry Moseley i laboratoriet hans.

Den eksperimentelle posisjonen forbedret seg dramatisk etter forskning av Henry Moseley i 1913. Moseley, etter diskusjoner med Bohr som var på samme laboratorium (og som hadde brukt Van den Broeks hypotese i sin Bohr -modell av atomet), bestemte han seg for å teste Van den Broeks og Bohr hypotese direkte, ved å se om spektrallinjer som slippes ut fra eksiterte atomer montert Bohr teoriens postulat at frekvensen av spektrallinjene være proporsjonal med kvadratet av Z .

For å gjøre dette målte Moseley bølgelengdene til de innerste fotonovergangene (K- og L-linjene) produsert av elementene fra aluminium ( Z  = 13) til gull ( Z  = 79) brukt som en serie bevegelige anodiske mål inne i en røntgenstråle rør . Kvadratroten til frekvensen til disse fotonene (røntgenstråler) økte fra ett mål til det neste i en aritmetisk progresjon. Dette førte til den konklusjon ( moseleys lov ) at atomnummer ikke korresponderer nært (med en forskyvning på en enhet for K-linjer, i Moseley arbeid) til den beregnede elektriske ladning av kjernen, dvs. elementnummeret Z . Blant annet demonstrerte Moseley at lanthanidserien (fra lanthanum til lutetium inkludert) må ha 15 medlemmer - ikke færre og ikke flere - noe som langt fra var åpenbart fra kjent kjemi på den tiden.

Manglende elementer

Etter Moseleys død i 1915 ble atomnummeret til alle kjente grunnstoffene fra hydrogen til uran ( Z  = 92) undersøkt med hans metode. Det var syv grunnstoffer (med Z  <92) som ikke ble funnet og derfor identifisert som fortsatt uoppdaget, tilsvarende atomnummer 43, 61, 72, 75, 85, 87 og 91. Fra 1918 til 1947, alle syv av disse manglende elementene ble oppdaget. På dette tidspunktet hadde de fire første transuranelementene også blitt oppdaget, slik at det periodiske systemet var komplett uten hull så langt som curium ( Z  = 96).

Protonen og ideen om kjernefysiske elektroner

I 1915 ble årsaken til at atomladning ble kvantisert i enheter av Z , som nå ble anerkjent for å være det samme som elementnummeret, ikke forstått. En gammel idé kalt Prouts hypotese hadde antatt at elementene alle var laget av rester (eller "protyler") av det letteste elementet hydrogen, som i Bohr-Rutherford-modellen hadde et enkelt elektron og en kjernefysisk ladning av ett. Imidlertid allerede i 1907 hadde Rutherford og Thomas Royds vist at alfapartikler, som hadde en ladning på +2, var kjernene til heliumatomer, som hadde en masse fire ganger massen av hydrogen, ikke to ganger. Hvis Prouts hypotese var sann, måtte noe være å nøytralisere noe av ladningen til hydrogenkjernene som er tilstede i kjernene til tyngre atomer.

I 1917 lyktes Rutherford i å generere hydrogenkjerner fra en kjernefysisk reaksjon mellom alfapartikler og nitrogengass, og trodde han hadde bevist Prouts lov. Han kalte de nye tunge atompartiklene for protoner i 1920 (alternative navn er proutons og protyles). Det hadde umiddelbart vist seg fra Moseleys arbeid at kjernene til tunge atomer har mer enn dobbelt så mye masse som man kunne forvente fra at de var laget av hydrogenkjerner , og derfor var det nødvendig med en hypotese for nøytralisering av de ekstra protonene som antas tilstede i alle tunge kjerner. En heliumkjerne ble antatt å være sammensatt av fire protoner pluss to "kjernefysiske elektroner" (elektroner bundet inne i kjernen) for å avbryte to av ladningene. I den andre enden av det periodiske system ble det antatt at en kjerne av gull med en masse 197 ganger massen av hydrogen inneholdt 118 kjernefysiske elektroner i kjernen for å gi den en restladning på +79, i samsvar med atomnummeret.

Funnet av nøytronet gjør Z til protonnummeret

All behandling av nukleære elektroner avsluttet med James Chadwick 's oppdagelse av nøytronet i 1932. En atom gull nå ble sett som inneholdt 118 nøytroner i stedet for 118 atom elektroner, og den positive ladning nå ble realisert for å komme i sin helhet fra et innhold på 79 protoner. Etter 1932 ble derfor et element atomnummer Z også realisert for å være identisk med protonnummeret til dets kjerner.

Symbolet for Z

Det konvensjonelle symbolet Z kommer muligens fra det tyske ordet Atom z ahl (atomnummer). Før 1915 ble imidlertid ordet Zahl (ganske enkelt tall ) brukt for et elements tildelte nummer i det periodiske systemet.

Kjemiske egenskaper

Hvert element har et bestemt sett med kjemiske egenskaper som en konsekvens av antall elektroner som er tilstede i det nøytrale atomet, som er Z (atomnummeret). Den konfigurasjon av disse elektronene følger prinsippene for kvantemekanikk . Antall elektroner i hvert elements elektronskall , spesielt det ytterste valensskallet , er hovedfaktoren for å bestemme dets kjemiske bindingsatferd . Derfor er det atomnummeret alene som bestemmer de kjemiske egenskapene til et element; og det er av denne grunn at et element kan defineres som bestående av en hvilken som helst blanding av atomer med et gitt atomnummer.

Nye elementer

Jakten på nye elementer er vanligvis beskrevet ved hjelp av atomnummer. Fra 2021 har alle grunnstoffene med atomnummer 1 til 118 blitt observert. Syntese av nye elementer oppnås ved å bombardere målatomer for tunge grunnstoffer med ioner, slik at summen av atomnummeret til mål- og ionelementene er lik atomnummeret til elementet som blir opprettet. Generelt blir halveringstiden til et nuklid kortere når atomnummeret øker, selv om uoppdagede nuklider med visse " magiske " antall protoner og nøytroner kan ha relativt lengre halveringstider og utgjøre en øy med stabilitet .

Se også

Referanser