Атомный номер

Атомный номер (также зарядовое число, протонное число, обозначается \( Z \)) — это количество протонов в ядре атома химического элемента. Атомный номер определяет принадлежность атома к конкретному химическому элементу, заряд ядра (равный \( +Ze \), где \( e \) — элементарный электрический заряд) и, в нейтральном атоме, число электронов в электронной оболочке. В периодической таблице химических элементов Д. И. Менделеева элементы располагаются в порядке возрастания атомного номера.

История открытия

Предыстория: от атомного веса к заряду ядра

В XIX веке основой для систематизации химических элементов служила атомная масса (атомный вес). Дмитрий Иванович Менделеев при создании своей периодической таблицы (1869 год) располагал элементы в порядке возрастания атомного веса, однако в нескольких местах он нарушил этот порядок, чтобы сгруппировать химически сходные элементы (например, теллур (атомный вес 127,6) поставил перед йодом (атомный вес 126,9), а аргон (39,9) — перед калием (39,1)). Менделеев предполагал, что атомные веса некоторых элементов определены неточно, но истинная причина этих аномалий оставалась неясной.

Эксперименты Генри Мозли

Решающий шаг был сделан английским физиком Генри Мозли. В 1913—1914 годах он изучал характеристические рентгеновские спектры различных химических элементов. Мозли обнаружил, что частота \( \nu \) характеристического рентгеновского излучения элемента линейно связана с квадратом его порядкового номера в периодической таблице. Этот закон, известный как закон Мозли, имел вид: \[ \sqrt{\nu} = a (Z - b), \] где \( a \) и \( b \) — константы, а \( Z \) — атомный номер.

Мозли установил, что именно \( Z \) (а не атомная масса) является фундаментальной характеристикой, определяющей химические свойства элемента. Он показал, что атомный номер численно равен заряду ядра атома (в единицах элементарного заряда). Работа Мозли позволила:

• окончательно обосновать периодический закон;
• исправить ошибки в расположении элементов (например, подтвердить, что аргон должен стоять перед калием, а кобальт — перед никелем);
• предсказать существование нескольких ещё не открытых элементов (в частности, элемента с \( Z = 43 \) — технеция, и \( Z = 61 \) — прометия);
• установить, что количество редкоземельных элементов (лантаноидов) должно быть равно 15 (от \( Z = 57 \) до \( Z = 71 \)).

Развитие представлений в XX веке

После открытия протона (Эрнест Резерфорд, 1919 год) и нейтрона (Джеймс Чедвик, 1932 год) атомный номер стал трактоваться как число протонов в ядре. Это понимание легло в основу современной ядерной физики и физики элементарных частиц.

Определение и обозначение

Атомный номер \( Z \) — это целое положительное число. Для нейтрального атома число электронов \( N_e \) равно \( Z \). Для иона (атома, потерявшего или приобретшего электроны) число электронов отличается от \( Z \), но сам атомный номер остаётся неизменным.

В обозначении нуклида (вида атомов с определённым числом протонов и нейтронов) атомный номер указывается нижним левым индексом перед символом элемента, а массовое число (сумма протонов и нейтронов \( A \)) — верхним левым индексом: \[ {}^{A}_{Z}\mathrm{X} \] Например, \( {}^{235}_{92}\mathrm{U} \) — уран-235, где \( Z = 92 \), \( A = 235 \). Часто атомный номер опускают, так как он однозначно определяется символом элемента.

Связь с периодической таблицей

Порядок расположения элементов

В современной периодической таблице элементы расположены строго в порядке возрастания атомного номера. Номер периода (горизонтального ряда) соответствует числу электронных оболочек атома, а номер группы (вертикального столбца) — числу валентных электронов (для элементов главных подгрупп) или степени окисления.

Значение для химических свойств

Химические свойства элемента определяются конфигурацией его электронной оболочки, которая, в свою очередь, зависит от числа электронов (\( Z \)). Атомный номер задаёт:

• Периодичность: элементы с одинаковым строением внешних электронных оболочек (валентных электронов) попадают в одну группу и проявляют сходные химические свойства.
• Заряд ядра: чем больше \( Z \), тем сильнее ядро притягивает электроны, что влияет на атомный радиус, энергию ионизации, электроотрицательность и другие свойства.

Исключения и аномалии

Хотя атомный номер является основным систематизирующим признаком, существуют аномалии, связанные с релятивистскими эффектами (особенно для тяжёлых элементов, \( Z > 80 \)). Например, ртуть (\( Z = 80 \)) является жидкостью при комнатной температуре, что частично объясняется релятивистским сжатием 6s-орбитали. Для сверхтяжёлых элементов (\( Z > 100 \)) предсказываются значительные отклонения от периодичности, обусловленные сильными релятивистскими и спин-орбитальными эффектами.

Физический смысл

Заряд ядра

Атомный номер прямо пропорционален электрическому заряду ядра: \[ Q = Z \cdot e, \] где \( e = 1,602176634 \times 10^{-19} \) Кл. Заряд ядра определяет кулоновское взаимодействие между ядром и электронами, а также между ядром и другими заряженными частицами.

Изотопы и изобары

• Изотопы — атомы одного и того же элемента (одинаковый \( Z \)), но с разным числом нейтронов (\( N \)), а следовательно, и с разным массовым числом \( A = Z + N \). Химические свойства изотопов практически идентичны, но ядерные свойства (например, радиоактивность) могут сильно различаться.
• Изобары — атомы разных элементов (разный \( Z \)), но с одинаковым массовым числом \( A \). Например, \( {}^{40}_{18}\mathrm{Ar} \) и \( {}^{40}_{20}\mathrm{Ca} \).

Стабильность ядер

Атомный номер и число нейтронов определяют стабильность атомного ядра. Лёгкие стабильные ядра обычно имеют примерно равное число протонов и нейтронов (\( N \approx Z \)). Для тяжёлых ядер (\( Z > 20 \)) отношение \( N/Z \) возрастает до 1,5—1,6, так как кулоновское отталкивание протонов требует большего числа нейтронов для стабилизации ядра. Все ядра с \( Z > 82 \) (свинец) являются радиоактивными. Элементы с \( Z > 92 \) (уран) в природе не встречаются или встречаются в следовых количествах (например, нептуний и плутоний) и получаются искусственно.

Атомный номер в химии и физике

Химическая номенклатура

В названиях химических соединений атомный номер не указывается, если не требуется различать изотопы. Например, «вода» — это \( \mathrm{H_2O} \), где \( Z = 1 \) для водорода. Для радиоактивных изотопов атомный номер может быть указан в скобках: «уран-235» (\( Z = 92 \)).

Периодический закон

Современная формулировка периодического закона (Д. И. Менделеев, уточнённая после работ Мозли): «Свойства химических элементов, а также формы и свойства образуемых ими простых веществ и соединений находятся в периодической зависимости от величины зарядов ядер их атомов (атомных номеров)».

Сверхтяжёлые элементы

Элементы с атомным номером более 100 (фермий) называются сверхтяжёлыми. Их синтез осуществляется в ядерных реакторах или на ускорителях путём бомбардировки мишеней из тяжёлых элементов (например, \( {}^{248}_{96}\mathrm{Cm} \)) лёгкими ионами (например, \( {}^{48}_{20}\mathrm{Ca} \)). Периоды полураспада сверхтяжёлых элементов очень малы (от долей секунды до нескольких минут), что затрудняет их изучение. Предсказывается существование «острова стабильности» — области атомных номеров (около \( Z = 114 \)—\( 126 \)), где ядра могут иметь значительно большие периоды полураспада (до миллионов лет).

Интересные факты

• Водород (\( Z = 1 \)) — самый лёгкий и распространённый элемент во Вселенной. Уран (\( Z = 92 \)) — самый тяжёлый элемент, встречающийся в природе в заметных количествах.
• Элемент с \( Z = 0 \) не существует в природе, так как ядро без протонов (чисто нейтронное) нестабильно и распадается за доли секунды. Теоретически возможны нейтронные звёзды, состоящие в основном из нейтронов, но их вещество не является химическим элементом.
• Атомный номер и магические числа: ядра с определённым числом протонов или нейтронов (2, 8, 20, 28, 50, 82, 126) обладают повышенной стабильностью. Эти числа называются магическими. Ядра, у которых и число протонов, и число нейтронов являются магическими, называются дважды магическими (например, \( {}^{4}_{2}\mathrm{He} \), \( {}^{16}_{8}\mathrm{O} \), \( {}^{40}_{20}\mathrm{Ca} \), \( {}^{208}_{82}\mathrm{Pb} \)).
• Самый большой атомный номер: на 2024 год официально признаны элементы до \( Z = 118 \) (оганесон). Синтез элементов с \( Z > 118 \) является предметом текущих исследований.

Источники

• Мозли, Г. «Высокочастотные спектры элементов». Philosophical Magazine, 1913, 1914.
• Резерфорд, Э. «Ядерная структура атома». Proceedings of the Royal Society A, 1919.
• Чедвик, Дж. «Существование нейтрона». Nature, 1932.
• Менделеев, Д. И. «Основы химии». 8-е изд., 1906.
• Гринвуд, Н. Н., Эрншоу, А. «Химия элементов». 2-е изд., 1997.
• Коттон, Ф. А., Уилкинсон, Дж. «Современная неорганическая химия». 3-е изд., 1972.
• Оганесян, Ю. Ц. «Синтез сверхтяжёлых элементов». Успехи физических наук, 2015.