Atom numarası
Bir kimyasal elementin atom numarası veya proton numarası (sembolü Z), o elementin her atomunun çekirdeğinde bulunan proton sayısıdır. Atom numarası, bir kimyasal elementi benzersiz şekilde tanımlar. Çekirdeğin yük numarası ile aynıdır. Yüksüz bir atomda, atom numarası da elektron sayısına eşittir.
Atom numarası Z ile nötron sayısının toplamı, bir atomun A kütle numarasını verir. Protonlar ve nötronlar yaklaşık olarak aynı kütleye sahip olduklarından (ve elektronların kütlesi birçok amaç için ihmal edilebilir) ve nükleon bağlanmasının kütle kusuru nükleon kütlesine kıyasla her zaman küçük olduğundan, birleşik atomik olarak ifade edildiğinde herhangi bir atomun atomik kütlesi kütle birimleri ("göreli izotopik kütle" olarak adlandırılan bir miktar yapan), A tam sayısının %1'i içindedir.
Aynı atom numarasına, ancak farklı nötron numaralarına ve dolayısıyla farklı kütle numaralarına sahip atomlar, izotoplar olarak bilinir. Doğal olarak oluşan elementlerin dörtte üçünden biraz fazlası, izotopların bir karışımı olarak bulunur (bkz. Monoizotopik elementler) ve bir element için izotopik bir karışımın ortalama izotopik kütlesi (göreceli atomik kütle olarak adlandırılır), Dünya üzerinde tanımlanmış bir ortamda, belirler elementin standart atom ağırlığı. Tarihsel olarak, 19. yüzyılda kimyagerler tarafından ölçülebilen miktarlar (hidrojene kıyasla) elementlerin bu atom ağırlıklarıydı.
Geleneksel Z sembolü, kimya ve fizikteki fikirlerin modern sentezinden önce, sıralaması yaklaşık olarak ancak tamamen değil, periyodik tablodaki bir elementin sayısal yerini gösteren elementlerin atom ağırlıklarına göre sayı anlamına gelen Almanca Zahl kelimesinden gelir. Ancak 1915'ten sonra, bu Z sayısının aynı zamanda atomların nükleer yükü ve fiziksel bir özelliği olduğuna dair öneri ve kanıtla, Atomzahl kelimesi (ve İngilizce eşdeğer atom numarası) bu bağlamda yaygın bir şekilde kullanılmaya başlandı.
Tarihçe
Periyodik tablo ve her element için doğal bir sayı
Açıkça söylemek gerekirse, periyodik bir element tablosunun varlığı veya inşası, elementlerin sıralanmasını sağlar ve böylece sırayla numaralandırılabilirler.
Dmitri Mendeleev ilk periyodik tablolarını (ilk olarak 6 Mart 1869'da yayınlandı) atom ağırlığına ("Atomgewicht") göre düzenlediğini iddia etti. Bununla birlikte, elementlerin gözlemlenen kimyasal özellikleri göz önüne alındığında, sırayı biraz değiştirdi ve tellürü (atom ağırlığı 127.6) iyotun (atom ağırlığı 126.9) önüne yerleştirdi. Bu yerleştirme, elementleri proton numarası Z'ye göre sıralamanın modern uygulamasıyla tutarlıdır, ancak bu sayı o sırada bilinmiyor veya şüphelenilmiyordu.
Bununla birlikte, periyodik tablo pozisyonuna dayalı basit bir numaralandırma hiçbir zaman tam olarak tatmin edici olmamıştır. İyot ve tellür durumunun yanı sıra, daha sonra birkaç başka element çiftinin (argon ve potasyum, kobalt ve nikel gibi) neredeyse aynı veya ters atom ağırlıklarına sahip olduğu biliniyordu, bu nedenle periyodik tabloya yerleştirilmelerinin kimyasalları tarafından özellikleri belirlenmesini gerektiriyordu. Bununla birlikte, atom numarası açık olmayan, kimyasal olarak daha fazla benzer lantanid elementlerinin kademeli olarak tanımlanması, elementlerin periyodik numaralandırılmasında en azından lutesyumdan (element 71) itibaren (şu anda hafniyum bilinmiyordu) tutarsızlık ve belirsizliğe yol açtı.
Rutherford-Bohr modeli ve van den Broek
1911'de Ernest Rutherford, atomun kütlesinin çoğunu tutan merkezi bir çekirdeğin ve elektron yükünün birimlerinde hidrojen atomlarının sayısı atomun atom ağırlığının yaklaşık olarak yarısına eşit olacak pozitif bir yükün bulunduğu bir atom modeli verdi. Bu merkezi yük böylece atom ağırlığının yaklaşık yarısı kadar olacaktır (Rutherford'un tahminini yaptığı tek element olan altının atom sayısından (Z = 79, A = 197) neredeyse %25 farklı olmasına rağmen). Bununla birlikte, Rutherford'un altının yaklaşık 100 merkezi yüke sahip olduğu tahminine rağmen (ancak periyodik tabloda Z = 79 idi), Rutherford'un makalesi yayınlandıktan bir ay sonra, Antonius van den Broek ilk olarak resmi olarak merkezi yükün ve bir atomdaki elektronlar, periyodik tablodaki yerine tam olarak eşitti (element numarası, atom numarası ve simgesel Z olarak da bilinir). Bu, sonunda durum olduğunu kanıtladı.
Moseley'in 1913 deneyi
Deneysel konum, 1913'te Henry Moseley tarafından yapılan araştırmadan sonra çarpıcı bir şekilde gelişti. Moseley, aynı laboratuvarda bulunan (ve Bohr atom modelinde Van den Broek'in hipotezini kullanan) Bohr ile tartıştıktan sonra, Van den Broek ve Bohr'un hipotezini, uyarılmış atomlardan spektral çizgilerin yayılıp yayılmadığını görerek doğrudan test etmeye karar verdi. Bohr teorisinin spektral çizgilerin frekansının Z'nin karesiyle orantılı olduğu varsayımına uyuyordu.
Bunu yapmak için Moseley, alüminyumdan tüp (Z = 13) altına (Z = 79) elementler tarafından üretilen en içteki foton geçişlerinin (K ve L çizgileri) dalga boylarını ölçtü. Bu fotonların (x-ışınları) frekansının karekökü, aritmetik bir ilerlemede bir hedeften diğerine arttı. Bu, atom numarasının (Moseley'in çalışmasında K-çizgileri için bir birim ofset ile) çekirdeğin hesaplanan elektrik yüküne, yani element numarası Z'ye çok yakın olduğu sonucuna (Moseley yasası) yol açtı. Diğer şeylerin yanı sıra, Moseley, lantanit serisinin (lantandan lutesyum dahil) 15 üyeye sahip olması gerektiğini - daha az ya da daha fazla - olması gerektiğini gösterdi ki bu o zamanki kimyadan çok açık değildi.
Eksik elementler
Moseley'in 1915'teki ölümünden sonra, hidrojenden uranyuma kadar bilinen tüm elementlerin (Z = 92) atom numaraları, onun yöntemiyle incelendi. 43, 61, 72, 75, 85, 87 ve 91 atom numaralarına karşılık gelen, bulunmayan ve bu nedenle hala keşfedilmemiş olarak tanımlanan yedi element (Z <92) vardı. 1918'den 1947'ye kadar, bu eksik unsurların yedisinin tümü keşfedildi. Bu zamana kadar, ilk dört transuranyum element de keşfedilmişti, böylece periyodik tablo küriye kadar boşluk olmadan tamamlanmıştı (Z = 96).
Proton ve nükleer elektron fikri
1915'te, nükleer yükün artık element numarasıyla aynı olduğu kabul edilen Z birimlerinde nicelendirilmesinin nedeni anlaşılmadı. Prout'un hipotezi olarak adlandırılan eski bir fikir, elementlerin, Bohr-Rutherford modelinde tek bir elektron ve bir nükleer yüke sahip olan en hafif hidrojen elementinin kalıntılarından (veya "protiller" den) oluştuğunu varsaymıştı. Bununla birlikte, 1907 gibi erken bir tarihte, Rutherford ve Thomas Royds, +2 yüke sahip alfa parçacıklarının, hidrojenden iki değil, dört katı bir kütleye sahip olan helyum atomlarının çekirdeği olduğunu gösterdiler. Prout'un hipotezi doğruysa, bir şeyin daha ağır atomların çekirdeklerinde bulunan hidrojen çekirdeklerinin yükünün bir kısmını nötralize etmesi gerekiyordu.
1917'de Rutherford, alfa parçacıkları ve nitrojen gazı arasındaki bir nükleer reaksiyondan hidrojen çekirdeği oluşturmayı başardı ve Prout yasasını kanıtladığına inanıyordu. 1920'de yeni ağır nükleer parçacıklara proton adını verdi (alternatif isimler proutonlar ve protyles). Moseley'in çalışmasından, ağır atomların çekirdeklerinin hidrojen çekirdeklerinden yapılmalarından beklenenin iki katından daha fazla kütleye sahip oldukları hemen anlaşılmıştı ve bu nedenle, tüm ağır çekirdeklerde mevcut olduğu varsayılan ekstra protonların nötralizasyonu için bir hipotez gerekliydi. Bir helyum çekirdeğinin, iki yükü iptal etmek için dört proton artı iki "nükleer elektron" dan (çekirdeğin içine bağlı elektronlar) oluştuğu varsayıldı. Periyodik tablonun diğer ucunda, hidrojenden 197 kat daha fazla kütleye sahip bir altın çekirdeğinin, atom numarasıyla tutarlı olarak +79'luk bir artık yük vermek için çekirdekte 118 nükleer elektron içerdiği düşünülüyordu.
Nötronun keşfi Z'yi proton numarası yapar
Nükleer elektronlarla ilgili tüm değerlendirmeler James Chadwick'in 1932'de nötron keşfiyle sona erdi. Şimdi bir altın atomunun 118 nükleer elektron yerine 118 nötron içerdiği görülüyordu ve şimdi pozitif yükünün tamamen 79 proton içeriğinden geldiği anlaşıldı. Bu nedenle 1932'den sonra, bir elementin atom numarası Z'nin de çekirdeğinin proton sayısı ile aynı olduğu anlaşıldı.
Z sembolü
Geleneksel Z sembolü muhtemelen Almanca Atomzahl (atom numarası) kelimesinden gelir. Bununla birlikte, 1915'ten önce, Zahl (sadece sayı) kelimesi, periyodik tablodaki bir öğeye atanan numara için kullanıldı.
Kimyasal özellikler
Her element, nötr atomda bulunan elektron sayısının bir sonucu olarak belirli bir kimyasal özelliklere sahiptir, buda Z (atom numarası). Bu elektronların konfigürasyonu, kuantum mekaniğinin prensiplerinden kaynaklanmaktadır. Her bir elementin elektron kabuğundaki, özellikle en dıştaki değerlik kabuğundaki elektron sayısı, kimyasal bağlanma davranışını belirlemede birincil faktördür. Dolayısıyla, bir elementin kimyasal özelliklerini belirleyen tek başına atom numarasıdır; ve bu nedenle bir element, belirli bir atom numarasına sahip herhangi bir atom karışımından oluşuyor olarak tanımlanabilir.
Yeni elementler
Yeni element arayışı genellikle atom numaraları kullanılarak tanımlanır. 2019 yılı itibariyle 1'den 118'e kadar atom numaralı tüm elementler gözlemlenmiştir. Yeni elementlerin sentezi, ağır elementlerin hedef atomlarının iyonlarla bombardıman edilmesiyle gerçekleştirilir, öyle ki, hedef ve iyon elementlerinin atom sayılarının toplamı, yaratılan elementin atom numarasına eşittir. Genel olarak, atom numarası arttıkça yarı ömür kısalır, ancak keşfedilmemiş izotoplar için belirli sayıda proton ve nötron için bir "kararlılık adası" mevcut olabilir.