Numero atomico - Atomic number

Una spiegazione degli apici e dei pedici visti nella notazione dei numeri atomici. Il numero atomico è il numero di protoni, e quindi anche la carica positiva totale, nel nucleo atomico.
Il modello di Rutherford-Bohr dell'atomo di idrogeno ( Z = 1 ) o di uno ione simile all'idrogeno ( Z > 1 ). In questo modello è una caratteristica essenziale che l'energia del fotone (o frequenza) della radiazione elettromagnetica emessa (mostrata) quando un elettrone salta da un orbitale all'altro sia proporzionale al quadrato matematico della carica atomica ( Z 2 ). La misurazione sperimentale di Henry Moseley di questa radiazione per molti elementi (da Z = 13 a 92 ) ha mostrato i risultati previsti da Bohr. Sia il concetto di numero atomico che il modello di Bohr ricevettero così credibilità scientifica.

Il numero atomico o numero di protoni (simbolo Z ) di un elemento chimico è il numero di protoni che si trovano nel nucleo di ogni atomo di quell'elemento. Il numero atomico identifica in modo univoco un elemento chimico . È identico al numero di carica del nucleo. In un atomo non carico , il numero atomico è anche uguale al numero di elettroni .

La somma del numero atomico Z e del numero di neutroni N dà il numero di massa A di un atomo. Poiché protoni e neutroni hanno approssimativamente la stessa massa (e la massa degli elettroni è trascurabile per molti scopi) e il difetto di massa del legame del nucleone è sempre piccolo rispetto alla massa del nucleone, la massa atomica di qualsiasi atomo, quando espressa in atomi atomici unificati unità di massa (facendo una quantità chiamata " massa isotopica relativa "), è a 1% del numero intero a .

Gli atomi con lo stesso numero atomico ma diversi numeri di neutroni, e quindi diversi numeri di massa, sono noti come isotopi . Poco più di tre quarti degli elementi naturali esistono come una miscela di isotopi (vedi elementi monoisotopici ), e la massa isotopica media di una miscela isotopica per un elemento (chiamata massa atomica relativa) in un ambiente definito sulla Terra, determina il peso atomico standard dell'elemento . Storicamente, erano questi pesi atomici degli elementi (rispetto all'idrogeno) le quantità misurabili dai chimici nel XIX secolo.

Il simbolo convenzionale Z deriva dalla parola tedesca Z ahl 'numero', che, prima della moderna sintesi di idee dalla chimica e dalla fisica, denotava semplicemente il posto numerico di un elemento nella tavola periodica , il cui ordine è approssimativamente, ma non completamente, coerente con l'ordine degli elementi per peso atomico. Solo dopo il 1915, con la suggestione e l'evidenza che questo numero Z fosse anche la carica nucleare e una caratteristica fisica degli atomi, la parola Atom z ahl (e il suo numero atomico equivalente inglese ) divenne di uso comune in questo contesto.

Storia

La tavola periodica e un numero naturale per ogni elemento

Il chimico russo Dmitri Mendeleev , creatore della tavola periodica.

In parole povere, l'esistenza o la costruzione di una tavola periodica degli elementi crea un ordinamento degli elementi, e quindi possono essere numerati in ordine.

Dmitri Mendeleev affermò di aver disposto le sue prime tavole periodiche (pubblicate per la prima volta il 6 marzo 1869) in ordine di peso atomico ("Atomgewicht"). Tuttavia, in considerazione delle proprietà chimiche osservate degli elementi, ha cambiato leggermente l'ordine e ha posto il tellurio (peso atomico 127,6) davanti allo iodio (peso atomico 126,9). Questa posizione è coerente con la pratica moderna di ordinare gli elementi per numero di protoni, Z , ma quel numero non era noto o sospettato all'epoca.

Niels Bohr , creatore del modello Bohr .

Tuttavia, una semplice numerazione basata sulla posizione della tavola periodica non è mai stata del tutto soddisfacente. Oltre al caso di iodio e tellurio, in seguito si sapeva che diverse altre coppie di elementi (come argon e potassio , cobalto e nichel ) avevano pesi atomici quasi identici o invertiti, il che richiedeva che il loro posizionamento nella tavola periodica fosse determinato dalla loro composizione chimica. proprietà. Tuttavia la progressiva identificazione di elementi lantanidi sempre più chimicamente simili , il cui numero atomico non era ovvio, portò a incongruenze e incertezze nella numerazione periodica degli elementi almeno dal lutezio (elemento 71) in poi (l' afnio non era noto a quel tempo).

Il modello di Rutherford-Bohr e van den Broek

Nel 1911 Ernest Rutherford fornì un modello dell'atomo in cui un nucleo centrale conteneva la maggior parte della massa dell'atomo e una carica positiva che, in unità di carica dell'elettrone, doveva essere approssimativamente uguale alla metà del peso atomico dell'atomo, espresso in numero di atomi di idrogeno. Questa carica centrale sarebbe quindi circa la metà del peso atomico (sebbene fosse quasi il 25% diverso dal numero atomico dell'oro ( Z = 79 , A = 197 ), il singolo elemento da cui Rutherford ha fatto la sua ipotesi). Tuttavia, nonostante la stima di Rutherford che l'oro avesse una carica centrale di circa 100 (ma era l'elemento Z = 79 sulla tavola periodica), un mese dopo la pubblicazione dell'articolo di Rutherford, Antonius van den Broek suggerì formalmente che la carica centrale e il numero di gli elettroni in un atomo erano esattamente uguali al suo posto nella tavola periodica (noto anche come numero dell'elemento, numero atomico e Z simbolizzato ). Questo si è rivelato alla fine essere il caso.

L'esperimento di Moseley del 1913

Henry Moseley nel suo laboratorio.

La posizione sperimentale migliorò notevolmente dopo la ricerca di Henry Moseley nel 1913. Moseley, dopo aver discusso con Bohr che era nello stesso laboratorio (e che aveva usato l'ipotesi di Van den Broek nel suo modello di Bohr dell'atomo), decise di testare Van den Broek e L'ipotesi di Bohr direttamente, vedendo se le righe spettrali emesse dagli atomi eccitati si adattava al postulato della teoria di Bohr che la frequenza delle righe spettrali fosse proporzionale al quadrato di Z .

Per fare ciò, Moseley ha misurato le lunghezze d'onda delle transizioni fotoniche più interne (linee K e L) prodotte dagli elementi dall'alluminio ( Z  = 13) all'oro ( Z  = 79) utilizzati come una serie di bersagli anodici mobili all'interno di una radiografia tubo . La radice quadrata della frequenza di questi fotoni (raggi X) aumentava da un bersaglio all'altro in una progressione aritmetica. Ciò ha portato alla conclusione ( legge di Moseley ) che il numero atomico fa corrispondere fedelmente (con un offset di un'unità per righe K, nel lavoro di Moseley) alla calcolata carica elettrica del nucleo, cioè il numero di elemento Z . Tra le altre cose, Moseley dimostrò che la serie dei lantanidi (dal lantanio al lutezio compreso) doveva avere 15 membri, né meno né di più, il che era tutt'altro che ovvio dalla chimica nota a quel tempo.

Elementi mancanti

Dopo la morte di Moseley nel 1915,  furono esaminati con il suo metodo i numeri atomici di tutti gli elementi conosciuti dall'idrogeno all'uranio ( Z = 92). Erano sette gli elementi (con Z  < 92) non trovati e quindi identificati come ancora da scoprire, corrispondenti ai numeri atomici 43, 61, 72, 75, 85, 87 e 91. Dal 1918 al 1947, tutti e sette questi elementi mancanti sono stati scoperti. A questo punto erano stati scoperti anche i primi quattro elementi transuranici, così che la tavola periodica era completa senza lacune fino al curio ( Z  = 96).

Il protone e l'idea degli elettroni nucleari

Nel 1915, la ragione per cui la carica nucleare veniva quantizzata in unità di Z , che ora erano riconosciute come uguali al numero dell'elemento, non fu compresa. Una vecchia idea chiamata ipotesi di Prout aveva postulato che gli elementi fossero tutti costituiti da residui (o "protili") dell'elemento più leggero idrogeno, che nel modello di Bohr-Rutherford aveva un singolo elettrone e una carica nucleare di uno. Tuttavia, già nel 1907, Rutherford e Thomas Royds avevano dimostrato che le particelle alfa, che avevano una carica di +2, erano i nuclei degli atomi di elio, che avevano una massa quattro volte quella dell'idrogeno, non due volte. Se l'ipotesi di Prout fosse vera, qualcosa doveva neutralizzare parte della carica dei nuclei di idrogeno presenti nei nuclei degli atomi più pesanti.

Nel 1917, Rutherford riuscì a generare nuclei di idrogeno da una reazione nucleare tra particelle alfa e azoto e credeva di aver dimostrato la legge di Prout. Chiamò le nuove particelle nucleari pesanti protoni nel 1920 (nomi alternativi essendo proutoni e protili). Era stato subito evidente dal lavoro di Moseley che i nuclei degli atomi pesanti hanno più del doppio di massa di quanto ci si aspetterebbe dal loro essere costituiti da nuclei di idrogeno , e quindi era richiesta un'ipotesi per la neutralizzazione dei presunti protoni extra presente in tutti i nuclei pesanti. Si presumeva che un nucleo di elio fosse composto da quattro protoni più due "elettroni nucleari" (elettroni legati all'interno del nucleo) per annullare due delle cariche. All'altra estremità della tavola periodica, si pensava che un nucleo d'oro con una massa 197 volte quella dell'idrogeno contenesse 118 elettroni nucleari nel nucleo per dargli una carica residua di +79, coerente con il suo numero atomico.

La scoperta del neutrone fa di Z il numero di protoni

Tutte le considerazioni sugli elettroni nucleari si conclusero con la scoperta del neutrone da parte di James Chadwick nel 1932. Un atomo d'oro ora era visto come contenente 118 neutroni invece di 118 elettroni nucleari, e la sua carica positiva ora è stata realizzata per provenire interamente da un contenuto di 79 protoni. Dopo il 1932, quindi, anche il numero atomico Z di un elemento fu realizzato identico al numero di protoni dei suoi nuclei.

Il simbolo di Z

Il simbolo convenzionale Z probabilmente deriva dalla parola tedesca Atom z ahl (numero atomico). Tuttavia, prima del 1915, la parola Zahl (semplicemente numero ) veniva utilizzata per il numero assegnato a un elemento nella tavola periodica.

Proprietà chimiche

Ogni elemento ha un insieme specifico di proprietà chimiche come conseguenza del numero di elettroni presenti nell'atomo neutro, che è Z (il numero atomico). La configurazione di questi elettroni segue dai principi della meccanica quantistica . Il numero di elettroni nei gusci elettronici di ciascun elemento , in particolare il guscio di valenza più esterno , è il fattore principale nel determinare il comportamento del legame chimico . Quindi, è solo il numero atomico che determina le proprietà chimiche di un elemento; ed è per questo motivo che un elemento può essere definito come costituito da una qualsiasi miscela di atomi con un dato numero atomico.

Nuovi elementi

La ricerca di nuovi elementi viene solitamente descritta usando i numeri atomici. A partire dal 2021, sono stati osservati tutti gli elementi con numero atomico da 1 a 118. La sintesi di nuovi elementi viene eseguita bombardando con ioni gli atomi bersaglio di elementi pesanti, in modo tale che la somma dei numeri atomici degli elementi bersaglio e degli ioni sia uguale al numero atomico dell'elemento che viene creato. In generale, l' emivita di un nuclide diventa più breve all'aumentare del numero atomico, sebbene i nuclidi non scoperti con determinati numeri " magici " di protoni e neutroni possano avere emivite relativamente più lunghe e comprendere un'isola di stabilità .

Guarda anche

Riferimenti