Číslo poplatku

Nábojové číslo atomového jádra (synonyma: atomové číslo , atomové číslo , pořadové číslo chemického prvku ) je počet protonů v atomovém jádru. Číslo náboje se rovná náboji jádra v jednotkách elementárního náboje a zároveň se rovná pořadovému číslu odpovídajícího jádra chemického prvku v periodické tabulce . Obvykle se označuje písmenem Z .

Termín „atomový“ nebo „atomové číslo“ se běžně používá v atomové fyzice a chemii , zatímco ekvivalentní termín „číslo náboje“ je v jaderné fyzice . V neionizovaném atomu se počet elektronů v elektronových obalech shoduje s číslem náboje.

Jádra se stejným nábojovým číslem, ale rozdílným hmotnostním číslem A (které se rovná součtu počtu protonů Z a počtu neutronů N ) jsou různé izotopy téhož chemického prvku, protože je to náboj jádra, který určuje struktura elektronového obalu atomu a následně i jeho chemické vlastnosti. Více než tři čtvrtiny chemických prvků existují v přírodě jako směs izotopů (viz Monoizotopový prvek ) a průměrná izotopová hmotnost izotopové směsi prvku (nazývaná relativní atomová hmotnost ) v určitém prostředí na Zemi určuje standardní atomovou hmotnost. hmotnost prvku (dříve používaný název "atomová hmotnost" ). Historicky to byly tyto atomové hmotnosti prvků (ve srovnání s vodíkem), které byly veličinami měřenými chemiky v 19. století.

Protože protony a neutrony mají přibližně stejnou hmotnost (hmotnost elektronů je ve srovnání s jejich hmotností zanedbatelná) a porucha hmotnosti nukleonu je vždy malá ve srovnání s hmotností nukleonu, je hodnota atomové hmotnosti libovolného atomu, vyjádřená v jednotkách atomové hmotnosti je v rozmezí 1 % od celého čísla A.

Historie

Periodická tabulka a sériová čísla pro každý prvek

Hledání základu pro přirozenou klasifikaci a systematizaci chemických prvků, založené na vztahu jejich fyzikálních a chemických vlastností s atomovou hmotností, bylo prováděno již dlouhou dobu. V 60. letech 19. století se objevila řada prací spojujících tyto charakteristiky - Chancourtoisova spirála , Newlandsova tabulka, Odlingovy a Meyerovy tabulky , ale žádná z nich nepodala jednoznačný vyčerpávající popis vzoru. To se podařilo ruskému chemikovi D. I. Mendělejevovi . 6. března 1869 ( 18. března 1869 ), na schůzi Ruské chemické společnosti , byla přečtena Mendělejevova zpráva o jeho objevu Periodického zákona chemických prvků [1] a brzy jeho článek „Vztah vlastností s atomem hmotnost prvků“ byl publikován v Journal of Russian Physics and Chemical Society “ [2] . V témže roce vyšlo první vydání Mendělejevovy učebnice „Základy chemie“, kde byla uvedena jeho periodická soustava. V článku z 29. listopadu 1870 ( 11. prosince 1870 ), publikovaném v Journal of the Russian Chemical Society pod názvem „Přirozený systém prvků a jeho aplikace k indikaci vlastností neobjevených prvků“, Mendělejev poprvé použil termín „periodický zákon“ a poukázal na existenci několika dosud neobjevených prvků [3] .

Mendělejev ve svých dílech uspořádal prvky v pořadí jejich atomových hmotností, ale zároveň se od tohoto pravidla záměrně odchýlil tím, že před jód (atomová hmotnost 126,9) umístil telur (atomová hmotnost 127,6 ) [4] , přičemž to vysvětlil chemické vlastnosti prvků. Takové uspořádání prvků je legitimní, vezmeme-li v úvahu jejich nábojové číslo Z , které Mendělejev neznal. Následný vývoj atomové chemie potvrdil správnost vědcova odhadu.

Modely atomu Rutherford-Bohr a Van den Broek

V roce 1911 navrhl britský fyzik Ernest Rutherford model atomu , podle kterého se jádro nachází ve středu atomu, obsahuje většinu hmotnosti atomu a kladný náboj, který v jednotkách elektronového náboje, by se měla rovnat přibližně polovině atomové hmotnosti atomu, vyjádřené počtem atomů vodíku. Rutherford formuloval svůj model na základě dat o atomu zlata ( Z = 79 , A = 197 ), a tak vyšlo, že zlato by mělo mít jaderný náboj asi 100 (zatímco atomové číslo zlata v periodické tabulce je 79) . Měsíc po zveřejnění Rutherfordovy práce holandský amatérský fyzik Antonius van den Broek poprvé navrhl, že jaderný náboj a počet elektronů v atomu se musí přesně rovnat jeho pořadovému číslu v periodické tabulce (neboli atomové číslo, označované Z ). Tato hypotéza se nakonec potvrdila.

Ale z pohledu klasické elektrodynamiky by v Rutherfordově modelu musel elektron pohybující se kolem jádra nepřetržitě a velmi rychle vyzařovat energii a po její ztrátě by spadl na jádro. K vyřešení tohoto problému navrhl v roce 1913 dánský fyzik Niels Bohr svůj model atomu. Bohr zavedl předpoklad, že elektrony v atomu se mohou pohybovat pouze po určitých (stacionárních) drahách, na kterých nevyzařují energii a k ​​záření nebo absorpci dochází pouze v okamžiku přechodu z jedné dráhy na druhou. V tomto případě jsou stacionární pouze ty oběžné dráhy, po kterých je moment hybnosti elektronu roven celému číslu Planckových konstant [5] : .

Moseleyho experimenty z roku 1913 a „chybějící“ chemické prvky

V roce 1913 se britský chemik Henry Moseley po diskusi s N. Bohrem rozhodl v experimentu otestovat hypotézy Van den Broeka a Bohra [6] . Za tímto účelem Moseley změřil vlnové délky spektrálních čar fotonických přechodů (čáry K a L) v atomech hliníku ( Z = 13 ) a zlata ( Z = 79 ) používaných jako série cílů uvnitř rentgenky [7] ] . Druhá odmocnina frekvence těchto fotonů (rentgenových paprsků) se zvyšovala od jednoho cíle k dalšímu v aritmetickém postupu. To vedlo Moseleyho k závěru ( Moseleyho zákon ), že hodnota atomového čísla téměř odpovídá (v Moseleyově práci s posunem o jednu jednotku pro K-čáry) vypočítanému elektrickému náboji jádra, tedy hodnotě Z. . Moseleyho experimenty mimo jiné prokázaly, že řada lanthanoidů (od lanthanu po lutecium včetně) by měla obsahovat přesně 15 prvků – ne méně ani více, což tehdejším chemikům nebylo ani zdaleka samozřejmé.

Po Moseleyho smrti v roce 1915 byla jeho metodou zkoumána atomová čísla všech známých prvků od vodíku po uran ( Z = 92 ). Bylo zjištěno, že v periodické tabulce chybí sedm chemických prvků (se Z < 92 ), které byly označeny jako dosud neobjevené, s atomovými čísly 43, 61, 72, 75, 85, 87 a 91 [8] . Všech těchto sedm „chybějících“ prvků bylo objeveno v letech 1918 až 1947: technecium ( Z = 43 ), promethium ( Z = 61 ), hafnium ( Z = 72 ), rhenium ( Z = 75 ), astat ( Z = 85 ), francium ( Z = 87 ) a protaktinium ( Z = 91 ) [8] . Do této doby byly také objeveny první čtyři transuranové prvky , takže periodická tabulka byla vyplněna bez mezer až po curium ( Z = 96 ).

Hypotéza protonu a "jaderného elektronu"

V roce 1915 vědecká komunita pochopila skutečnost, že nábojová čísla Z , což jsou pořadová čísla prvků, by měla být násobkem náboje jádra atomu vodíku, ale neexistovalo žádné vysvětlení důvodů pro tohle. Proutova hypotéza , formulovaná již v roce 1816, naznačovala, že vodík je nějaký druh primární hmoty, ze které se jakousi kondenzací vytvořily atomy všech ostatních prvků, a tudíž atomové hmotnosti všech prvků a také náboje jejich jádra, by měla být měřena v celých číslech. Ale v roce 1907 experimenty Rutherforda a Roydse ukázaly, že částice alfa s nábojem +2 jsou jádra atomů helia, jejichž hmotnost převyšuje hmotnost vodíku čtyřikrát, nikoli dvakrát. Pokud je Proutova hypotéza správná, pak muselo něco neutralizovat náboje vodíkových jader přítomných v jádrech těžších atomů.

V roce 1917 (v experimentech publikovaných v letech 1919 a 1925) Rutherford dokázal, že vodíkové jádro bylo přítomno v jiných jádrech; tento výsledek je obvykle interpretován jako objev protonů [9] . Tyto experimenty začaly poté, co si Rutherford všiml, že když byly alfa částice vhozeny do vzduchu (většinou dusík), detektory zachytily stopy typických vodíkových jader. Po experimentování Rutherford vysledoval reakci na dusík ve vzduchu a zjistil, že když byly alfa částice zavedeny do čistého plynného dusíku, účinek byl větší. V roce 1919 Rutherford navrhl, že částice alfa vyrazí proton z dusíku a přemění ho na uhlík . Po pozorování snímků z Blackettovy kamery v roce 1925 si Rutherford uvědomil, že se stal opak: po zachycení částice alfa je proton vyvržen, takže konečným výsledkem je těžký kyslík , nikoli uhlík, to znamená, že Z se nezmenšuje, ale zvyšuje. Toto byla první popsaná jaderná reakce : 14N + α → 17O + p.

Rutherford v roce 1920 pojmenoval nové těžké jaderné částice protony (byly navrženy alternativní názvy – „protony“ a „protyly“). Z Moseleyho práce vyplynulo, že jádra těžkých atomů mají více než dvojnásobnou hmotnost, než by se očekávalo, kdyby se skládala pouze z jader vodíku, a proto bylo zapotřebí vysvětlení pro „neutralizaci“ předpokládaných extra protonů přítomných ve všech atomech. těžká jádra. V tomto ohledu byla předložena hypotéza o takzvaných „jaderných elektronech“. Předpokládalo se tedy, že jádro helia se skládá ze čtyř protonů a dvou „jaderných elektronů“, které neutralizují náboj dvou protonů. V případě zlata s atomovou hmotností 197 a nábojem 79, o kterém dříve uvažoval Rutherford, se předpokládalo, že jádro atomu zlata obsahuje 118 těchto „jaderných elektronů“.

Objev neutronu a jeho význam

Selhání hypotézy „jaderného elektronu“ se ukázalo po objevu neutronu Jamesem Chadwickem v roce 1932 [10] . Přítomnost neutronů v jádrech atomů snadno vysvětlila rozpor mezi atomovou hmotností a číslem náboje atomu: například atom zlata obsahuje 118 neutronů, nikoli 118 jaderných elektronů, a kladný náboj jádra se skládá výhradně z 79 protonů. Po roce 1932 se tedy atomové číslo prvku, Z , začalo považovat za počet protonů v jeho jádře.

Symbol Z

Číslo poplatku se obvykle označuje písmenem Z , z něj. atom z ahl  - „atomové číslo“, „atomové číslo“ [11] Konvenční symbol Z pravděpodobně pochází z německého slova Atomzahl (atomové číslo) [12] , označujícího číslo, které dříve jednoduše označovalo řadovou pozici prvku v periodické tabulky a která přibližně (ale ne přesně) odpovídala pořadí prvků ve vzestupném pořadí jejich atomových hmotností. Teprve po roce 1915, kdy bylo prokázáno, že číslo Z je také velikostí náboje jádra a fyzikální charakteristikou atomu, se v této oblasti začalo široce používat německé slovo Atomzahl (a jeho anglický ekvivalent , anglické Atomic number ). kontext.   

Chemické vlastnosti

Každý prvek má specifickou sadu chemických vlastností v důsledku počtu elektronů přítomných v neutrálním atomu, což je Z (atomové číslo). Konfigurace elektronů v atomu vyplývá z principů kvantové mechaniky . Počet elektronů v elektronových obalech každého prvku, zejména v nejvzdálenějším valenčním obalu , je hlavním faktorem, který určuje jeho chemické vazby. Chemické vlastnosti prvku tedy určuje pouze atomové číslo, a proto lze prvek definovat jako složený z libovolné směsi atomů s daným atomovým číslem.

Nové prvky

Při hledání nových prvků se výzkumníci řídí představami o nábojových číslech těchto prvků. Ke konci roku 2019 byly objeveny všechny prvky s nábojovými čísly od 1 do 118. Syntéza nových prvků se provádí bombardováním cílových atomů těžkých prvků ionty tak, že součet nábojových čísel cíle atom a „projektilový“ iont se rovná nábojovému číslu vytvořeného prvku. S rostoucím atomovým číslem se poločas rozpadu prvku zpravidla zkracuje, i když u neprozkoumaných izotopů s určitým počtem protonů a neutronů mohou existovat tzv. „ ostrovy stability “ [13] .

Viz také

Poznámky

  1. ↑ Nepovedený projev Trifonova D. N. Mendělejeva (6. (18. března 1869) Archivní kopie ze dne 18. března 2014 na Wayback Machine // Chemistry, No. 04 (699), 02/16-28, 2006
  2. ↑ Mendělejev D. I. Korelace vlastností s atomovou hmotností prvků  // Journal of the Russian Chemical Society. - 1869. - T. I. - S. 60-77 . Archivováno z originálu 18. března 2014.
  3. ↑ Mendělejev D. I. Přirozený systém prvků a jeho aplikace k indikaci vlastností neobjevených prvků  // Journal of the Russian Chemical Society . - 1871. - T. III . - S. 25-56 . Archivováno z originálu 17. března 2014.
  4. ↑ Periodický zákon chemických prvků // Encyklopedický slovník mladého chemika. 2. vyd. / Comp. V. A. Kritsman, V. V. Stanzo. - M . : Pedagogika , 1990. - S. 185 . — ISBN 5-7155-0292-6 .
  5. ↑ Planetární model atomu. Bohrovy postuláty Archivováno 21. února 2009 na Wayback Machine na portálu přírodních věd Archivováno 26. listopadu 2009 na Wayback Machine
  6. ↑ Uspořádání prvků v periodické tabulce Archivováno 4. března 2016 na Wayback Machine , Royal Chemical Society
  7. ↑ Moseley HGJ XCIII . Vysokofrekvenční spektra prvků  (anglicky)  // Philosophical Magazine , Series 6. - 1913. - Vol. 26 , č. 156 . — S. 1024 . - doi : 10.1080/14786441308635052 . Archivováno z originálu 22. ledna 2010.
  8. ↑ 1 2 Scerri E. Příběh sedmi elementů  . - Oxford University Press, 2013. - S.  47 . — ISBN 978-0-19-539131-2 .
  9. ↑ Petrucci RH, Harwood WS, Herring FG General Chemistry  . - 8. vyd. - Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 2002. - S. 41.
  10. ↑ Chadwick J. Existence of a Neutron  // Proceedings of the Royal Society A  . - 1932. - Sv. 136 , č. 830 . - S. 692-708 . - doi : 10.1098/rspa.1932.0112 . - .
  11. ↑ General Chemistry Online: FAQ: Atomy, prvky a ionty: Proč se atomové číslo nazývá "Z"? Proč se hromadné číslo nazývá "A"? . antoine.frostburg.edu. Získáno 8. března 2019. Archivováno z originálu 16. ledna 2000.
  12. ↑ Původ symbolu Z Archivováno 16. ledna 2000 na Wayback Machine . frostburg.edu
  13. ↑ Ostrov stability mimo periodickou tabulku . Získáno 29. listopadu 2019. Archivováno z originálu dne 21. listopadu 2018.
  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie
V bibliografických katalozích