谁发明了原子序数的概念?

时间:2021-09-01 09:02:52   作者:

俄国化学家门捷列夫,元素周期表的创造者


谁发明了原子序数的概念

松散地说,元素周期表的存在或构造创建了元素的顺序,因此它们可以按顺序编号。

门捷列夫(Dmitri Mendeleev)声称,他按照原子量(Atomgewicht)的顺序排列了他的第一张元素周期表(首次发表于1869年3月6日)然而,考虑到元素的化学性质,他稍微改变了顺序,把碲(原子量127.6)放在碘(原子量126.9)之前。这种排列方式与现代按质子数Z排列元素的做法一致,但这个数字在当时并不为人所知,也不为人所怀疑。


尼尔斯·玻尔,玻尔模型的创造者


谁发明了原子序数的概念

然而,基于元素周期表位置的简单编号从未完全令人满意。除了碘和碲的例子,后来人们知道其他几对元素(如氩和钾,钴和镍)的原子量几乎相同或相反,因此需要根据它们的化学性质来确定它们在元素周期表中的位置。然而,化学上越来越相似的镧系元素,其原子序数不明显,逐渐被发现,导致元素的周期性编号不一致和不确定,至少从镥(元素71)开始(铪当时还不知道)。

1911年,欧内斯特·卢瑟福给出了一个原子模型,在这个模型中,一个中心原子核拥有原子的大部分质量和一个正电荷,正电荷以电子电荷为单位,大约等于原子原子量的一半,用氢原子的数量表示。因此,这个中心电荷大约是原子量的一半(尽管它与金(Z = 79, A = 197)的原子序数相差近25%,而卢瑟福就是根据金的原子序数做出推测的)。然而,尽管卢瑟福估计金的中心电荷约为100(但它是元素周期表上Z = 79的元素),但在卢瑟福的论文发表一个月后,Antonius van den Broek首次正式提出,一个原子的中心电荷和电子数与它在元素周期表中的位置完全相等(也称为元素数、原子数,用符号Z表示)。这最终被证明是正确的。

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莫斯利的1913实验


在1913年亨利·莫斯利的研究之后,实验地位得到了极大的改善Moseley在与在同一实验室的玻尔讨论后(玻尔在他的玻尔原子模型中使用了Van den Broek的假设),决定直接检验Van den Broek和Bohr的假设,通过观察激发态原子发射的谱线是否符合玻尔理论的假设,即谱线的频率与Z的平方成正比。

为了做到这一点,Moseley测量了从铝(Z = 13)到金(Z = 79)作为x射线管内一系列可移动阳极靶的元素所产生的最内层光子跃迁(K线和L线)的波长这些光子(x射线)频率的平方根以算术级数的形式从一个目标增加到下一个目标。由此得出结论(莫斯利定律),原子序数(在莫斯利的工作中,k线偏移了一个单位)与计算出的原子核电荷数(即元素序数z)密切对应。Moseley证明了镧系元素(从镧到镥)必须有15个元素——不多也不少——这在当时的已知化学中是很不明显的。


缺失的元素


在莫斯利1915年去世后,所有已知元素,从氢到铀(Z = 92)的原子序数都用他的方法进行了检验。未发现的元素有7种(Z < 92),为未发现元素,对应的原子序数分别为43、61、72、75、85、87和91从1918年到1947年,这七种缺失的元素都被发现了这时,前四种超铀元素也被发现了,所以周期表就完整了,连curium (Z = 96)都没有空隙。


质子和核电子的概念


在1915年,原子核电荷被量子化的原因,现在被认为是相同的元素数Z的单位,是不理解的。一个被称为普劳特假说的老观点认为,所有的元素都是由最轻元素氢的残基(或基)构成的,而在玻尔-卢瑟福模型中,氢只有一个电子和一个核电荷。然而,早在1907年,卢瑟福和托马斯·罗伊兹就证明了带+2电荷的阿尔法粒子是氦原子的原子核,氦原子的质量是氢的4倍,而不是2倍。如果普劳特的假设是正确的,那么一定有什么东西中和了存在于较重原子核中的氢原子核中的一些电荷。

1917年,卢瑟福成功地从阿尔法粒子和氮气之间的核反应中生成了氢原子,他认为自己证明了普劳特定律。1920年,他将这种新的重核粒子称为质子(质子和原核)。从莫斯利的工作已经明显重原子的原子核有超过两倍的质量与预计将从他们被氢原子核,因此需要有一个假设的中和额外质子假定存在于所有沉重的细胞核。氦原子核被认为是由4个质子加上2个核电子(束缚在原子核内的电子)组成,以抵消其中的两个电荷。在元素周期表的另一端,一个质量为氢原子197倍的金原子核被认为含有118个核电子,使其剩余电荷为+79,这与它的原子序数相符。


中子的发现使Z成为质子数


1932年,詹姆斯·查德威克发现了中子,从而结束了对核电子的所有研究。一个金原子现在被认为含有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于79个质子。因此,1932年之后,一个元素的原子序数Z也被发现与原子核中的质子数相同。


Z的符号


传统符号Z可能来自德语单词Atomzahl(原子序数)然而,在1915年之前,Zahl(简单数字)一词被用来表示元素周期表中元素的编号。


化学性质


每一种元素都有一套特定的化学性质,其结果是中性原子中的电子数,即Z(原子序数)。这些电子的构型遵循量子力学的原理。每个元素的电子层,特别是最外层的价电子层的电子数,是决定其化学键行为的主要因素。因此,只有原子序数才能决定一种元素的化学性质。正因为这个原因,元素可以被定义为由给定原子序数的任何原子的混合物组成。


新元素


寻找新元素通常用原子序数来描述。到2021年,所有原子序数为1到118的元素都被观测到了。新元素的合成是通过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就等于被创造的元素的原子序数。一
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