Atomski broj

Za drugu upotrebu, pogledajte članak Broj (višeznačna odrednica).

Atomski broj ili protonski broj (redni broj, Z) jednog hemijskog elementa pokazuje koje mesto on zauzima u periodnom sistemu elemenata. Obično se obeležava latinskim slovom Z. U isto vreme ovaj broj pokazuje koliko ima protona u atomskom jezgru tog hemijskog elementa. Pošto broj protona i elektrona u jednom atomu je jednak, može se reći da atomski broj pokazuje i broj elektrona u elektronskom omotaču tog elementa. Svaki element u periodnom sistemu elemenata ima jedinstven atomski broj. Osobine hemijskih elementa su periodične funkcije atomskog broja. Ovo je otkrio ruski naučnik Mendeljejev.Atomski broj treba razlikovati od masenog broja koji predstavlja broj nukleona u atomskom jezgru (zbir protona i neutrona).

Objašnjenje gornjeg i donjeg indeksa koji se vide s leve strane u zapisu atomskog broja. Atomski broj je broj protona, a samim tim i ukupni pozitivni naboj u atomskom jezgru.

Raderford-Borov model vodonikovog atoma (Z = 1) ili jona poput vodonika (Z > 1). U ovom modelu je suštinska karakteristika da je energija fotona (ili frekvencija) elektromagnetnog emitovanog zračenja (prikazanog) kada elektron preskoči sa jedne orbitale na drugu proporcionalna matematičkom kvadratu atomskog naelektrisanja (Z²). Eksperimentalno merenje ovog zračenja Henrija Mozesa za mnoge elemente (od Z = 13 do 92) pokazalo je rezultate u skladu sa Borovim predviđanjem. Time su konceptu atomskog broja i Borovom modelu data naučna verodostojnost.

Zbir atomskog broja Z i broja neutrona N daje maseni broj A atoma. Budući da protoni i neutroni imaju približno istu masu (pri čemu je masa elektrona zanemarljiva u mnoge svrhe) i da je defekt mase nukleonskog vezivanja uvek mali u poređenju sa masom nukleona, atomska masa bilo kog atoma kada je izražena u ujedinjenim atomskim masenim jedinicama (čineći količinu koja se naziva „relativna izotopska masa“) nalazi se unutar 1% od celog broja A.

Atomi sa istim atomskim brojem, ali različitim neutronskim brojevima, a time i različitim masenim brojevima, poznati su kao izotopi. Nešto više od tri četvrtine prirodnih elemenata postoji kao smeša izotopa (vidi monoizotopske elemente), i prosečnu izotopsku masu izotopske smeše elementa (koja se naziva relativna atomska masa) u određenom okruženju na Zemlji određuje standardna atomska težina elementa. Istorijski gledano, upravo su te atomske težine elemenata (u poređenju sa vodonikom) bile veličine koje su hemičari merili u 19. veku.

Konvencioni simbol Z potiče od nemačke reči Zahl što znači broj, koji je pre moderne sinteze ideja iz hemije i fizike samo označavao numeričko mesto elementa u periodnom sistemu, čiji je redosled približno, ali ne u potpunosti, u skladu sa redosledom elemenata po atomskim težinama. Tek nakon 1915. godine, sa sugestijom i dokazima da je ovaj Z broj ujedno nuklearni naboj i fizička karakteristika atoma, reč Atomzahl (i njen engleski ekvivalent atomski broj) ušla je u uobičajenu upotrebu u ovom kontekstu.

Istorija

Periodni sistem i prirodni broj za svaki element

Ruski hemičar Dmitrij Mendeljejev, kreator periodnog sistema.

Slobodno govoreći, postojanje ili konstrukcija periodnog sistema elemenata stvara redosled elemenata, tako da se mogu numerisati po tom redosledu.

Dmitrij Mendeljejev je tvrdio da je svoje prve periodične tablice (prvi put objavljene 6. marta 1869) rasporedio po redosledu atomske težine („Atomgewicht“). Međutim, s obzirom na uočena hemijska svojstva elemenata, on je malo promenio redosled i stavio je telur (atomska težina 127,6) ispred joda (atomska težina 126,9). Ovo postavljanje je u skladu sa savremenom praksom raspoređivanja elemenata po protonskom broju, Z, ali u to vreme taj broj nije bio poznat, niti se pretpostavljalo da postoji.

Nils Bor, kreator Borovog modela.

Jednostavno numerisanje zasnovano na položaju u periodnom sistemu, međutim, nikada nije bilo sasvim zadovoljavajuće. Pored slučaja joda i telura, kasnije je postalo poznato da nekoliko drugih parova elemenata (poput argona i kalijuma, kobalta i nikla) imaju gotovo identične ili obrnute atomske težine, zbog čega je njihovo postavljanje u periodni sistem određeno njihovim hemijskim svojstvima. Međutim, postepena identifikacija sve više i više hemijski sličnih lantanoidnih elemenata, čiji atomski broj nije bio očigledan, dovela je do nedoslednosti i nesigurnosti u periodičnom numerisanju elemenata barem od lutecijuma (element 71) nadalje (hafnijum u to vreme nije bio poznat).

Raderford-Borov model i van den Brok

Godine 1911. Ernest Raderford je dao model atoma u kojem je centralno jezgro držalo veći deo mase atoma i pozitivno naelektrisanje, koje je u jedinicama naelektrisanja elektrona, trebalo da bude približno jednako polovini atomske težine atoma, izraženo u brojevima atoma vodonika. Stoga bi ovaj centralni naboj bio približno polovina atomske težine (mada se gotovo 25% razlikovao od atomskog broja zlata (Z = 79, A = 197), pojedinačnog elementa na osnovu kojeg je Raderford izveo pretpostavku). Ipak, uprkos Raderfordove procene da je zlato imalo centralni naboj od oko 100 (ali je bilo element Z = 79 na periodnom sistemu), mesec dana kasnije Antonius van den Bruk prvi je formalno predložio da su centralni naboj i broj elektroni u atomu bili su tačno jednaki njegovom mestu u periodnom sistemu (takođe poznato kao broj elementa, atomski broj i označen sa Z). Na kraju se pokazalo da je to slučaj.

Mozlijev eksperiment iz 1913.

Eksperimentalno stanovište se dramatično popravilo nakon istraživanja Henrija Mozlija iz 1913. Mozli je, nakon razgovora sa Borom koji je bio u istoj laboratoriji (i koji je koristio van den Brukovu hipotezu u svom Borovom modelu atoma), odlučio da direktno testira van den Brukovu i Borovu hipotezu, utvrđujući da li se spektralne linije emitovane iz pobuđenih atoma uklapaju je postavku Borove teorije da je frekvencija spektralnih linija proporcionalna kvadratu Z.

Da bi to učinio, Mozli je merio talasne dužine najdubljih fotonskih prelaza (K i L linije) koje proizvode elementi od aluminijuma (Z = 13) do zlata (Z = 79) koje je koristio kao niz pokretnih anodnih meta unutar rendgenske cevi. Kvadratni koren frekvencije ovih fotona (rendgenskih zraka) povećavao se od jedne do druge mete u aritmetičkoj progresiji. To je dovelo do zaključka (Mozlijev zakon) da atomski broj u potpunosti odgovara (sa pomakom jedne jedinice za K-linije, u Mozlijevom radu) izračunatom električnom naboju jezgra, odnosno atomskom broj Z. Između ostalog , Mozli je pokazao da serija lantanoida (od lantana do lutecijuma) mora da ima 15 članova - ni manje ni više - što je bilo daleko od očiglednog iz poznate hemije u to vreme.

Nedostajući elementi

Nakon Mozlijeve smrti 1915. godine, njegovom metodom ispitivani su atomski brojevi svih poznatih elemenata od vodonika do uranijuma (Z = 92). Bilo je sedam elemenata (sa Z < 92) koji nisu pronađeni i zbog toga su identifikovani kao još uvek neotkriveni, što je odgovaralo atomskim brojevima 43, 61, 72, 75, 85, 87 i 91. Od 1918. do 1947. otkriveno je svih sedam nedostajućih elemenata. U to vreme su takođe otkrivena prva četiri transuranijumska elementa, tako da je periodni sistem bio potpun, bez praznina sve do kirijuma (Z = 96).

Proton i ideja nuklearnih elektrona

Godine 1915, nije bio razjašnjen razlog kvantizovanja nuklearnog naelektrisanja u jedinicama Z, za koje je sada bilo priznato da su jednake broju elemenata. Jedna stara ideja zvana Prautova hipoteza postulirala je da su svi elementi napravljeni od ostataka (ili „protila“) najlakšeg elementa vodonika, koji je u Bor-Raderfordovom modelu imao jedan elektron i nuklearni naboj od jedan. Međutim, već 1907. godine, Raderford i Tomas Rojds su pokazali da su alfa čestice, koje su imale naelektrisanje +2, jezgra atoma helijuma, koja su imala masu četiri puta veću od mase vodonika, a ne dva puta. Ako je Prautova hipoteza bila tačna, nešto bi moralo da neutrališe deo naelektrisanja jezgara vodonika prisutnih u jezgrima težih atoma.

Godine 1917, Raderford je uspeo da generiše jezgra vodonika iz nuklearne reakcije između alfa čestica i gasa azota, i verovao je da je dokazao Prautov zakon. Nove teške nuklearne čestice nazvao je protonima 1920. godine (alternativna imena su bila proutoni i protili). Iz Mozlijevog rada bilo je odmah očigledno da jezgra teških atoma imaju više nego dvostruko veću masu nego što bi se očekivalo da su napravljena od jezgara vodonika, te je stoga bila potrebna hipoteza za neutralizaciju dodatnih pretpostavljenih protona prisutnih u svim teškim jezgrima. Pretpostavljalo se da se jezgro helijuma sastoji od četiri protona plus dva „nuklearna elektrona“ (elektroni vezani unutar jezgra) da bi poništili dva naelektrisanja. Na drugom kraju periodnog sistema, smatralo se da jezgro zlata mase 197 puta veće od vodonika sadrži 118 nuklearnih elektrona u jezgru, dajući mu zaostali naboj od +79, u skladu sa njegovim atomskim brojem.

Otkriće neutrona čini Z protonskim brojem

Sva razmatranja nuklearnih elektrona okončana su sa Džejms Čedvikovim otkrićem neutrona 1932. godine. Od tada se smatra da atom zlata sadrži 118 neutrona, a ne 118 nuklearnih elektrona, a njegov pozitivni naboj je u potpunosti proizašao iz sadržaja 79 protona. Posle 1932. godine, prema tome, atomski broj elementa Z takođe je shvaćen da je identičan protonskom broju njegovih jezgara.

Simbol Z

Konvencionalni simbol Z verovatno potiče od nemačke reči Atomzahl (atomski broj). Međutim, do 1915. godine reč Zahl (jednostavno broj) je korišćena za redni broj elementa u periodnom sistemu elemenata.

Hemijska svojstva

Svaki element ima određeni skup hemijskih svojstava kao posledicu broja elektrona prisutnih u neutralnom atomu, koji je Z (atomski broj). Konfiguracija ovih elektrona sledi iz principa kvantne mehanike. Broj elektrona u elektronskim omotačima svakog elementa, naročito u najudaljenijoj valentnoj ljusci, je primarni faktor u određivanju njegovog hemijskog ponašanja. Otuda je samo atomski broj taj koji određuje hemijska svojstva elementa; i iz tog razloga se element može definisati kao sastojak bilo koje smeše atoma sa datim atomskim brojem.

Novi elementi

Potraga za novim elementima obično se opisuje pomoću atomskih brojeva. Prema podacima iz 2019. godine otkriveni su svi elementi sa atomskim brojevima od 1 do 118. Sinteza novih elemenata postiže se bombardovanjem ciljnih atoma teških elemenata jonima, tako da je zbir atomskih brojeva meta i jonskih elemenata jednak atomskom broju elementa koji se stvara. Generalno, poluživot postaje kraći kako se atomski broj povećava, mada za neotkrivene izotope sa određenim brojem protona i neutrona može postojati „ostrvo stabilnosti“.

Literatura

• Andrew G. van Melsen (1960) [First published 1952]. From Atomos to Atom: The History of the Concept Atom. Prevod: Henry J. Koren. Dover Publications. ISBN 0-486-49584-1. 
• J. P. Millington (1906). John Dalton. J. M. Dent & Co. (London); E. P. Dutton & Co. (New York). 
• Jaume Navarro (2012). A History of the Electron: J. J. and G. P. Thomson. Cambridge University Press. ISBN 978-1-107-00522-8. 
• Bernard Pullman (1998) The Atom in the History of Human Thought, trans. by Axel Reisinger. Oxford Univ. Press.
• Eric Scerri (2007) The Periodic Table, Its Story and Its Significance, Oxford University Press, New York.
• Charles Adolphe Wurtz (1881) The Atomic Theory, D. Appleton and Company, New York.
• Alan J. Rocke (1984) Chemical Atomism in the Nineteenth Century: From Dalton to Cannizzaro, Ohio State University Press, Columbus (open access full text at http://digital.case.edu/islandora/object/ksl%3Ax633gj985).
• Ball, P. (2004). The Elements: A Very Short Introduction. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-284099-8. 
• Emsley, J. (2003). Nature's Building Blocks: An A–Z Guide to the Elements. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-850340-8. 
• Gray, T. (2009). The Elements: A Visual Exploration of Every Known Atom in the Universe. Black Dog & Leventhal Publishers Inc. ISBN 978-1-57912-814-2. 
• Scerri, E.R. (2007). The Periodic Table, Its Story and Its Significance. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-530573-9. 
• Strathern, P. (2000). Mendeleyev's Dream: The Quest for the Elements. Hamish Hamilton Ltd. ISBN 978-0-241-14065-9. 
• Kean, Sam (2011). The Disappearing Spoon: And Other True Tales of Madness, Love, and the History of the World from the Periodic Table of the Elements. Back Bay Books. ISBN 9780316051637. 
• A.D. McNaught; A. Wilkinson. (1997). Blackwell Scientific Publications, Oxford, ur. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book"). ISBN 978-0-9678550-9-7. doi:10.1351/goldbook. 
• Schrödinger, Erwin (1926). „Quantisation as an Eigenvalue Problem”. Annalen der Physik. 81 (18): 109—139. Bibcode:1926AnP...386..109S. doi:10.1002/andp.19263861802. 
• Mahanti, Subodh. „Erwin Schrödinger: The Founder of Quantum Wave Mechanics”. Arhivirano iz originala 2009-04-17. g. Pristupljeno 2009-08-01. 
• Mahanti, Subodh. „Max Born: Founder of Lattice Dynamics”. Arhivirano iz originala 2009-01-22. g. Pristupljeno 2009-08-01. 
• Greiner, Walter (4. 10. 2000). „Quantum Mechanics: An Introduction”. Springer. ISBN 9783540674580. Pristupljeno 2010-06-14. CS1 održavanje: Format datuma (veza)
• Heisenberg, W. (1927). „Über den anschaulichen Inhalt der quantentheoretischen Kinematik und Mechanik”. Zeitschrift für Physik (na jeziku: nemački). 43 (3–4): 172—198. Bibcode:1927ZPhy...43..172H. S2CID 122763326. doi:10.1007/BF01397280. 
• Busch, Paul; Lahti, Pekka; Werner, Reinhard F. (17. 10. 2013). „Proof of Heisenberg's Error-Disturbance Relation”. Physical Review Letters (na jeziku: engleski). 111 (16): 160405. Bibcode:2013PhRvL.111p0405B. ISSN 0031-9007. PMID 24182239. S2CID 24507489. arXiv:1306.1565 . doi:10.1103/PhysRevLett.111.160405. CS1 održavanje: Format datuma (veza)</ref><ref>Appleby, David Marcus (6. 5. 2016). „Quantum Errors and Disturbances: Response to Busch, Lahti and Werner”. Entropy (na jeziku: engleski). 18 (5): 174. Bibcode:2016Entrp..18..174A. arXiv:1602.09002 . doi:10.3390/e18050174 . CS1 održavanje: Format datuma (veza)
• Milton Orchin; Roger Macomber; Allan Pinhas; R. Wilson. „The Vocabulary and Concepts of Organic Chemistry, Second Edition” (PDF). Arhivirano (PDF) iz originala 2022-10-09. g. Pristupljeno 2010-06-14. 
• Zwiebach, Barton (2022). Mastering Quantum Mechanics Essentials, Theory, and Applications. Cambridge: MIT Press. str. 281—305. ISBN 978-0-262-36689-2. OCLC 1306066387. 
• Grivet, Jean-Philippe (januar 2002). „The Hydrogen Molecular Ion Revisited”. Journal of Chemical Education (na jeziku: engleski). 79 (1): 127. Bibcode:2002JChEd..79..127G. ISSN 0021-9584. doi:10.1021/ed079p127. CS1 održavanje: Format datuma (veza)
• Levin, F. S.; Shertzer, J. (1985-12-01). „Finite-element solution of the Schrödinger equation for the helium ground state”. Physical Review A (na jeziku: engleski). 32 (6): 3285—3290. Bibcode:1985PhRvA..32.3285L. ISSN 0556-2791. PMID 9896495. doi:10.1103/PhysRevA.32.3285. 

Spoljašnje veze

• Atomic number
• Atomism by S. Mark Cohen.
• Atomic Theory - detailed information on atomic theory with respect to electrons and electricity.