Зарядовое число

Дмитрий Менделеев, создатель периодической таблицы химических элементов.

Поиски основы естественной классификации и систематизации химических элементов, основанной на связи их физических и химических свойств с атомным весом, предпринимались на протяжении длительного времени. В 1860-х годах появился ряд работ, связывающих эти характеристики — спираль Шанкуртуа, таблица Ньюлендса, таблицы Одлинга и Мейера, но ни одна из них не давала однозначного исчерпывающего описания закономерности. Сделать это удалось русскому химику Д. И. Менделееву. 6 марта 1869 года (18 марта 1869 года) на заседании Русского химического общества было зачитано сообщение Менделеева об открытии им Периодического закона химических элементов[1], а вскоре его статья «Соотношение свойств с атомным весом элементов» была опубликована в «Журнале Русского физико-химического общества»[2]. В том же году вышло первое издание учебника Менделеева «Основы химии», где была приведена его периодическая таблица. В статье, датированной 29 ноября 1870 года (11 декабря 1870 года), опубликованной в «Журнале Русского химического общества» под названием «Естественная система элементов и применение её к указанию свойств неоткрытых элементов», Менделеев впервые употребил термин «периодический закон» и указал на существование нескольких не открытых ещё элементов[3].

В своих работах Менделеев расположил элементы в порядке их атомных весов, но при этом сознательно допустил отклонение от этого правила, поместив теллур (атомный вес 127,6) впереди иода (атомный вес 126,9)[4], объясняя это химическими свойствами элементов. Такое размещение элементов правомерно с учётом их зарядового числа Z, которое было неизвестно Менделееву. Последующее развитие атомной химии подтвердило правильность догадки учёного.

Модель Резерфорда — Бора для атома водорода (Z = 1) или водородоподобного иона (Z > 1). В этой модели энергия фотона (или частота электромагнитного излучения), испускаемого электроном при перемещении с одной орбиты на другую, пропорциональна квадрату величины атомного заряда (Z²). Британский физик Генри Мозли экспериментально подтвердил, что закономерность, предсказанная Бором, выполняется для многих элементов (от Z = 13 до 92)

В 1911 году британский физик Эрнест Резерфорд предложил модель атома, согласно которой в центре атома расположено ядро, содержащее б́ольшую часть массы атома и положительный заряд, который в единицах заряда электрона должен был быть равен примерно половине атомного веса атома, выраженного в числе атомов водорода. Резерфорд сформулировал свою модель на основе данных об атоме золота (Z = 79, A = 197), и, таким образом, получалось, что у золота должен быть заряд ядра около 100 (в то время как порядковый номер золота в периодической таблице 79). Через месяц после выхода статьи Резерфорда голландский физик-любитель Антониус ван ден Брук впервые предположил, что заряд ядра и число электронов в атоме должны быть точно равны его порядковому номеру в периодической таблице (он же — атомный номер, обозначаемый Z). Эта гипотеза в конечном счёте подтвердилась.

Но с точки зрения классической электродинамики, в модели Резерфорда электрон, двигаясь вокруг ядра, должен был бы излучать энергию непрерывно и очень быстро и, потеряв её, упасть на ядро. Чтобы разрешить эту проблему, в 1913 году датский физик Нильс Бор предложил свою модель атома. Бор ввёл допущение, что электроны в атоме могут двигаться только по определённым (стационарным) орбитам, находясь на которых, они не излучают энергию, а излучение или поглощение происходит только в момент перехода с одной орбиты на другую. При этом стационарными являются лишь те орбиты, при движении по которым момент количества движения электрона равен целому числу постоянных Планка[5]: ${\displaystyle m_{e}vr=n\hbar \ }$.

В 1913 году британский химик Генри Мозли после дискуссии с Н.Бором решил проверить гипотезы Ван ден Брука и Бора на эксперименте[6]. Для этого Мозли измерил длины волн спектральных линий фотонных переходов (линии K и L) в атомах алюминия (Z = 13) и золота (Z = 79), использовавшихся в качестве серии мишеней внутри рентгеновской трубки[7]. Квадратный корень частоты этих фотонов (рентгеновских лучей) увеличивался от одной цели к другой в арифметической прогрессии. Это привело Мозли к заключению (закон Мозли), что значение атомного номера почти соответствует (в работе Мозли — со смещением на одну единицу для K-линий) вычисленному электрическому заряду ядра, то есть величине Z. Среди прочего эксперименты Мозли продемонстрировали, что ряд лантаноидов (от лантана до лютеция включительно) должен содержать ровно 15 элементов — не меньше и не больше, что было далеко не очевидно для химиков того времени.

После смерти Мозли в 1915 году его методом были исследованы атомные номера всех известных элементов от водорода до урана (Z = 92). Было обнаружено, что в периодической таблице отсутствуют семь химических элементов (с Z < 92), которые были идентифицированы как ещё не открытые, с атомными номерами 43, 61, 72, 75, 85, 87 и 91[8]. Все эти семь «пропавших» элементов были обнаружены в период с 1918 по 1947 год: технеций (Z = 43), прометий (Z = 61), гафний (Z = 72), рений (Z = 75), астат (Z = 85), франций (Z = 87) и протактиний (Z = 91)[8]. К этому времени также были обнаружены первые четыре трансурановых элемента, поэтому периодическая таблица была заполнена без пробелов до кюрия (Z = 96).

Э. Резерфорд, 1911 г.

К 1915 году в научном сообществе сложилось понимание того факта, что зарядовые числа Z, они же — порядковые номера элементов, должны быть кратны величине заряда ядра атома водорода, но не было объяснения причин этого. Сформулированная ещё в 1816 году гипотеза Праута предполагала, что водород является некоей первичной материей, из которой путём своего рода конденсации образовались атомы всех других элементов и, следовательно, атомные веса всех элементов, равно как и заряды их ядер, должны измеряться целыми числами. Но в 1907 году опыты Резерфорда и Ройдса показали, что альфа-частицы с зарядом +2 являются ядрами атомов гелия, масса которых превышает массу водорода в четыре, а не в два раза. Если гипотеза Праута верна, то что-то должно было нейтрализовать заряды ядер водорода, присутствующие в ядрах более тяжёлых атомов.

В 1917 году (в экспериментах, результаты которых были опубликованы в 1919 и 1925 годах), Резерфорд доказал, что ядро ​​водорода присутствует в других ядрах; этот результат обычно интерпретируют как открытие протонов[9]. Эти эксперименты начались после того, как Резерфорд заметил, что, когда альфа-частицы были выброшены в воздух (в основном состоящий из азота), детекторы зафиксировали следы типичных ядер водорода. После экспериментов Резерфорд проследил реакцию на азот в воздухе и обнаружил, что когда альфа-частицы вводятся в чистый газообразный азот, эффект оказывается больше. В 1919 году Резерфорд предположил, что альфа-частица выбила протон из азота, превратив его в углерод. После наблюдения изображений камеры Блэкетта в 1925 году Резерфорд понял, что произошло обратное: после захвата альфа-частицы протон выбрасывается, поэтому тяжёлый кислород, а не углерод, является конечным результатом, то есть Z не уменьшается, а увеличивается. Это была первая описанная ядерная реакция: ¹⁴N + α → ¹⁷O + p.

Резерфорд назвал новые тяжёлые ядерные частицы протонами в 1920 году (предлагались альтернативные названия — «прутоны» и «протилы»). Из работ Мозли следовало, что ядра тяжёлых атомов имеют более чем вдвое большую массу, чем можно было бы ожидать при условии, что они состоят только из ядер водорода, и поэтому требовалось объяснение для «нейтрализации» предполагаемых дополнительных протонов, присутствующих во всех тяжелых ядрах. В связи с этим была выдвинута гипотеза о так называемых «ядерных электронах». Так, предполагалось, что ядро ​​гелия состоит из четырёх протонов и двух «ядерных электронов», нейтрализующих заряд двух протонов. В случае золота с атомной массой 197 и зарядом 79, ранее рассмотренном Резерфордом, предполагалось, что ядро атома золота содержит 118 этих «ядерных электронов».

Несостоятельность гипотезы «ядерных электронов» стала очевидной после открытия нейтрона Джеймсом Чедвиком в 1932 году[10]. Наличие нейтронов в ядрах атомов легко объясняло расхождение между атомным весом и зарядным числом атома: так, в атоме золота содержится 118 нейтронов, а не 118 ядерных электронов, а положительный заряд ядра полностью состоит из 79 протонов. Таким образом, после 1932 года атомный номер элемента Z стал рассматриваться как число протонов в его ядре.