原子序数是什么?关于原子序数的详细介绍

创闻科学2020-11-16 15:55:34

化学元素的原子序数质子数(符号Z)是在一个该元素原子的原子核中发现的质子数。原子序数唯一地对应一种化学元素。它与原子核的电荷量相同。在不带电荷的原子中,原子序数等于电子数。

原子序数Z和中子数N的和被称为原子的质量数A。由于质子和中子具有大致相同的质量(在许多情况下电子的质量可以忽略不计),并且核子结合的质量缺陷与核子质量相比总是很小,所以任何原子的原子质量,当以统一的原子质量单位表示时(形成一个称为“相对同位素质量”的量),都在全部质量数A的1%以内。

同位素指的是,具有相同原子序数Z但不同中子序数N的原子,因此同位素之间具有不同的原子质量。多于四分之三的天然元素以同位素混合物的形式存在,在地球上特定环境中元素同位素混合物的平均同位素质量(称为相对原子量)决定了元素的标准原子量。历史上,主要因为化学家在19世纪能够测量这些元素的原子量(与氢相比)。

传统符号Z来自德语单词Zahl,意为数字,在现代化学和物理概念合成之前,它仅仅表示元素在周期表中的数字位置,其顺序与元素按原子量的顺序近似一致,但不完全一致。直到1915年以后,随着暗示和证据表明这个数字Z也是原子的电荷和物理特征,Atomzahl这个词(和它的英语等价原子数)才在这个领域中被普遍使用。

历史元素周期表和每个元素的自然数

俄罗斯化学家德米特里·门捷列夫,元素周期表的创造者。

简要来说,元素周期表的存在或构造创造了元素的顺序,使得元素可以按顺序编号。

德米特里·门捷列夫(Dmitri Mendeleev)声称他按照原子量的顺序排列了他的第一个周期表(首次发表于1869年3月6日)。然而,考虑到元素观察到的化学性质,他稍微改变了顺序,把碲(Te)原子量127.6)放在碘(I,原子量126.9)之前。这个排序符合现代做法,即按质子数Z来排列元素,但当时这个数尚未知晓或是存在疑虑。

然而,这种基于周期表位置的简单编号从未完全令人满意。除了碘和碲,还有后来其他几对元素几乎相同或相反性质的元素(如氩和钾、钴和镍)的原子量,因此要求它们在周期表中的位置由它们的化学性质决定。然而,随着越来越多化学上相似的镧系元素的认识逐渐增多,其原子序数不明显,导致元素周期数的不一致和不确定性,至少从镥(元素71)开始(铪在此时还尚未被发现)。

玻尔模型的创造者尼尔斯·玻尔

卢瑟福-玻尔模型和范·登·布鲁克

1911年,欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford)给出了一个原子模型,其中一个中心核占据了原子的大部分质量,这个中心核是一个正电荷,以电子电荷为单位,大约等于原子的原子质量的一半,以氢原子数表示。因此,这个中心电荷大约是原子量的一半(尽管它与卢瑟福猜测的单一元素金的原子序数(Z = 79,A = 197)相差近25%)。然而,尽管卢瑟福估计金元素的中心电荷约为100(但实际元素周期表中,金的Z = 79),卢瑟福论文发表一个月后,安东尼乌斯·范·登·布鲁克(Antonius van den Broek)首次正式提出原子中的中心电荷和电子数与它在周期表中的位置(也称为元素数、原子数和符号化的Z)完全相等。事实最终证明是这样的。

莫斯利1913年的实验

亨利·莫斯利在他的实验室里。

亨利·莫斯利(Henry Moseley)在1913年进行研究后,实验地位得到了显著提高。莫斯利在与同一个实验室的玻尔讨论后(他在玻尔原子模型中使用了范登布鲁克的假设),决定直接检验范登布鲁克和玻尔的假设,看看受激原子发射的谱线是否符合玻尔理论中谱线频率与Z的平方成正比的假设。

为此,莫斯利测量了元素从铝(Z = 13)到金(Z = 79)产生的最内层的光子跃迁(K和L线)的波长,这些元素被用作X射线管内的一系列可移动阳极靶。这些光子(X光)频率的平方根随着阳极靶原子序数的算术级增长而增长。这导致了这样一个结论,被称为莫斯利定律,即原子序数确实与计算出的原子核电荷(即元素序数Z)非常一致(莫斯利的工作中,钾线的偏移量为一个单位)。其中,莫斯利证明镧系元素(从镧到镥包括在内)必须有15个成员——不少也不多——这在当时的化学中并不是显而易见的结论。

缺少元素

莫斯利在1915年去世后,人们用他的方法检查了从氢到铀(Z = 92)的所有已知元素的原子序数。结论显示,有7种元素(Z < 92)未被发现,对应于原子序数43、61、72、75、85、87和91。 从1918年到1947年,所有这七种缺失的元素都被发现了。这时,前四种超铀元素也已被发现,所以周期表是完整的,直到居里点(Z = 96)都没有间隙。

质子和核电子的概念

1915年,人们还不明白为什么用Z为单位来量化电荷,现在人们认为这与元素数相同。一个叫做普劳特假说的旧观点假设元素都是由最轻元素氢的残基(或“原基”)组成的,在玻尔-卢瑟福模型中,最轻元素氢只有一个电子和一个电荷。然而,早在1907年卢瑟福和托马斯·罗伊兹就已经表明,带+2电荷的阿尔法粒子是氦原子的原子核,氦原子的质量是氢原子的四倍,而不是两倍。如果普鲁特的假设是真的,一定有什么东西中和了重原子原子核中氢原子核的一些电荷。

1917年,卢瑟福成功地在阿尔法粒子和氮气之间的核反应中产生了氢原子核,并认为这一研究证明了普鲁特定律。他在1920年称之为新的重核粒子质子(别名普鲁顿和普罗提斯)。从莫斯利的工作中,很明显重原子核的质量是氢原子核的两倍多,因此需要一个假设来中和所有重原子核中假定存在的额外质子。氦原子核被认为是由四个质子加上两个“核电子”(束缚在原子核内的电子)组成的,以抵消两个电荷。在周期表的另一端,质量是氢质量197倍的金原子核被认为在原子核中含有118个核电子,使其剩余电荷为+79,与其原子序数一致。

中子的发现使Z成为质子数

对核电子的所有疑虑都随着詹姆斯·查德威克(James Chadwick)在1932年发现中子而结束。一个金原子现在被认为包含118个中子而不是118个核电子,它的正电荷现在被认为完全来自79个质子。因此,1932年以后认为,一种元素的原子序数Z与其原子核的质子数相同。

Z的符号

传统的符号Z可能来自德语单词Atomzahl(原子序数) 。然而,在1915年以前,元素周期表中的元素分配数使用了“Zahl”一词。

化学性质

由于中性原子中存在的电子数,即原子序数,每个元素都有一组特定的化学性质。这些电子的结构遵循量子力学的原理。每个元素电子层,特别是最外层的价层中的电子数是决定其化学键行为的主要因素。因此,只有原子序数决定了元素的化学性质;正是因为这个原因,元素可以被定义为由具有给定原子序数的任何原子混合物组成。

新元素

对新元素的探索通常用原子序数来描述。截至2010年,所有原子序数为1至118的元素都已观测到。新元素的合成是通过用离子轰击重元素的目标原子来完成的,这样目标元素和离子元素的原子序数之和等于所产生元素的原子序数。总的来说,半衰期随着原子序数的增加而变短,尽管对于未被发现的具有一定数量质子和中子的同位素,可能存在一个“稳定岛”。