원자 번호

화학 원소의 원자 번호 또는 핵 전하 번호(기호 Z)는 원자핵의 전하 번호입니다.양성자와 중성자로 구성된 일반적인 핵의 경우, 이것은 그 원소의 모든 원자의 핵에서 발견되는 양성자의 수(n_p)와 같습니다.원자 번호는 일반적인 화학 원소를 고유하게 식별하는 데 사용될 수 있습니다.보통의 대전되지 않은 원자에서는 원자 번호도 전자의 수와 같습니다.

양성자, 중성자, 전자를 포함하는 일반적인 원자의 경우, 원자 번호 Z와 중성자 번호 N의 합은 원자의 원자 질량 번호 A를 제공합니다.양성자와 중성자의 질량은 거의 같고, 핵자 결합의 질량 결함은 핵자 질량에 비해 항상 작기 때문에, 달톤으로 표현할 때 원자의 원자 질량("상대 동위원소 질량"이라고 불리는 양),전체 숫자 A의 1% 이내에 있습니다.

원자 번호는 같지만 중성자 번호가 달라서 질량이 다른 원자를 동위 원소라고 합니다.자연적으로 생성되는 원소의 3/4 이상이 동위 원소의 혼합물로 존재하며, 지구상의 정의된 환경에서 동위 원소 혼합물의 평균 동위 원소 질량(상대 원자 질량이라고 함)은 그 원소의 표준 원자량을 결정합니다.역사적으로, 19세기 화학자들이 측정할 수 있었던 양은 원소의 원자량(수소와 비교)이었습니다.

전통적인 기호 Z는 화학과 물리학의 아이디어가 현대적으로 합성되기 전에 주기율표에서 원소의 위치를 나타낸 것일 뿐이며, 그 순서는 원자량에 의한 원소의 순서와 거의 일치하지만 완전히 일치하지는 않습니다.1915년 이후에야 이 Z수가 원자의 핵전하이자 물리적 특성이라는 제안과 증거와 함께 아톰잘(Atomzahl)이라는 단어가 이러한 맥락에서 일반적으로 사용되기 시작했습니다.

위의 규칙이 양성자, 중성자, 전자 이외의 짧은 수명의 기본 입자를 포함하는 이국적인 원자에 항상 적용되는 것은 아닙니다.

역사

주기율표와 원소별 자연수

대략적으로 말하면, 주기율표의 존재 또는 구성은 원소들의 순서를 만들고, 따라서 원소들은 순서대로 번호를 매길 수 있습니다.

드미트리 멘델레예프는 자신의 첫 주기율표(1869년 3월 6일 처음 출판)를 원자량 순서대로 배열했다고 주장했습니다.^[1]그러나 그는 원소들의 관찰된 화학적 성질을 고려하여 순서를 약간 바꾸어 텔루륨(원자량 127.6)을 요오드(원자량 126.^[1][2]9)보다 앞에 놓았습니다.이 배치는 양성자 번호 Z로 원소를 정렬하는 현대의 관례와 일치하지만, 그 번호는 당시에는 알려지지 않았거나 의심되었습니다.

그러나 주기율표 위치에 따른 단순한 번호 부여는 결코 만족스럽지 못했습니다.요오드와 텔루륨 외에도, 나중에 몇몇 다른 원소 쌍(아르곤과 칼륨, 코발트와 니켈 등)은 원자량이 거의 동일하거나 반대인 것으로 알려져 있었고, 따라서 주기율표에 그들의 위치가 화학적 성질에 의해 결정되어야 했습니다.그러나 원자 번호가 명확하지 않은 점점 더 화학적으로 유사한 란타넘족 원소들의 점진적인 확인은 적어도 루테튬(원소 71) 이후의 원소들의 주기적인 번호에 대한 불일치와 불확실성으로 이어졌습니다.

러더퍼드-보어 모델과 밴덴브룩

1911년, 어니스트 러더퍼드는 중심핵이 원자의 질량의 대부분을 유지하고 전자의 전하 단위로 수소 원자 수로 표시되는 원자 무게의 절반에 해당하는 양전하를 갖는 원자 모형을 제시했습니다.따라서 이 중심 전하는 원자 무게의 약 절반이 될 것입니다(그러나 금의 원자 번호 (Z = 79, A = 197). 러더퍼드가 추측한 단일 원소).그럼에도 불구하고, Rutherford가 금의 중심 전하가 약 100개라고 추정했음에도 불구하고(주기율표에서 원소 Z = 79), Antonius van den Broek는 원자의 중심 전하와 전자의 수가 주기율표에서 그 위치와 정확히 같다는 것을 공식적으로 제시했습니다(al.원소 번호, 원자 번호 및 기호화된 Z)로 알려져 있습니다.이것은 결국 사실로 드러났습니다.

모즐리의 1913년 실험

실험 ^[3]위치는 1913년 헨리 모즐리의 연구 이후 극적으로 향상되었습니다.모즐리는 같은 실험실에 있었던 보어와 논의한 후에 (원자의 보어 모형에 반덴브룩의 가설을 사용했던) 반덴브룩과 보어의 가설을 직접 시험하기로 결정했습니다.들뜬 원자에서 방출되는 스펙트럼 선이 스펙트럼 선의 진동수가 Z의 제곱에 비례한다는 보어 이론의 가정에 부합하는지를 확인함으로써.

이를 위해 모즐리는 X선 튜브 내부에서 일련의 이동 가능한 양극 타겟으로 사용되는 알루미늄(Z = 13)에서 금(Z = 79)까지의 원소에 의해 생성되는 가장 안쪽의 광자 전이(K 및 L 선)의 파장을 측정했습니다.이러한 광자(x선)의 주파수의 제곱근은 산술적으로 한 표적에서 다음 표적으로 증가했습니다.이것은 원자 번호가 핵의 계산된 전하, 즉 원소 번호 Z와 밀접하게 일치한다는 결론(모즐리의 법칙)으로 이어졌습니다.무엇보다도, 모즐리는 란탄 계열(란탄에서 루테튬까지 포함)이 15개의 원소를 가지고 있어야 한다는 것을 증명했는데, 이는 당시 알려진 화학과는 거리가 멀었습니다.

누락된 요소

1915년 모즐리가 죽은 후, 수소에서 우라늄까지 알려진 모든 원소의 원자 번호(Z = 92)를 그의 방법으로 조사했습니다.원자 번호 43, 61, 72, 75, 85, 87 및 ^[5]91에 해당하는 7개의 원소(Z < 92)가 발견되지 않았으므로 여전히 발견되지 않은 것으로 확인되었습니다.1918년부터 1947년까지, 이 일곱 개의 사라진 원소들이 모두 ^[6]발견되었습니다.이 무렵 초우라늄 원소 4개가 발견되어 주기율표는 큐륨(Z = 96)까지 빈틈없이 완성되었습니다.

양성자와 핵 전자의 개념.

1915년에 원자력 전하가 Z 단위로 양자화된 이유가 이해되지 않았는데, 지금은 원소 번호와 같다고 인식되고 있습니다.프라우트의 가설이라고 불리는 오래된 생각은 이 원소들이 모두 보어-러더퍼드 모형에서 단일 전자와 1개의 핵 전하를 가진 가장 가벼운 원소 수소의 잔기(또는 "프로틸")로 만들어졌다고 가정했습니다.그러나 러더퍼드와 토마스 로이드는 1907년 초에 +2의 전하를 가진 알파 입자가 수소의 두 배가 아닌 네 배의 질량을 가진 헬륨 원자의 핵임을 밝혀냈습니다.만일 프라우트의 가설이 사실이라면, 무언가가 무거운 원자핵에 존재하는 수소핵의 전하의 일부를 중화시켜야 합니다.

1917년, 러더퍼드는 알파 입자와 질소 ^[7]가스 사이의 핵 반응으로 수소 핵을 생성하는 데 성공했고, 프라우트의 법칙을 증명했다고 믿었습니다.그는 1920년에 새로운 무거운 핵입자를 양성자라고 불렀습니다. (대체 이름은 양성자와 양성자입니다.)모즐리의 연구를 통해 무거운 원자의 핵들이 수소 핵으로 만들어진 것에서 예상되는 것보다 두 배 이상의 질량을 가지고 있다는 것이 즉시 명백해졌고, 따라서 모든 무거운 핵에 존재하는 것으로 추정되는 여분의 양성자의 중화에 대한 가설이 필요했습니다.헬륨 핵은 두 개의 전하를 상쇄하기 위해 네 개의 양성자와 두 개의 "핵 전자"(핵 안에 결합된 전자)로 구성된 것으로 추정되었습니다.주기율표의 반대쪽 끝에서, 수소의 197배 질량을 가진 금의 핵은 원자 번호와 일치하는 +79의 잔류 전하를 주기 위해 핵 안에 118개의 핵 전자를 포함한다고 생각되었습니다.

중성자의 발견은 Z를 양성자 번호로 만듭니다.

핵 전자에 대한 모든 고찰은 1932년 제임스 채드윅이 중성자를 발견하면서 끝이 났습니다.금의 원자는 이제 118개의 핵 전자가 아닌 118개의 중성자를 포함하는 것으로 보였고, 양의 핵 전하는 이제 완전히 79개의 양성자를 포함하는 것으로 실현되었습니다.모즐리는 이전에 원소의 원자 번호 Z가 양전하와 같다는 것을 보여주었기 때문에, 이제 Z가 핵의 양성자 수와 동일하다는 것이 명백해졌습니다.

화학적 성질

각 원소는 중성 원자에 존재하는 전자의 수, 즉 Z(원자 번호)의 결과로 특정한 화학적 성질을 가집니다.이러한 전자의 구성은 양자역학의 원리를 따릅니다.각 원소의 전자 껍질, 특히 최외곽 원자가 껍질의 전자의 수는 화학적 결합 거동을 결정하는 주요 요인입니다.따라서, 원소의 화학적 성질을 결정하는 것은 원자 번호 단독이며, 이러한 이유로 원소는 주어진 원자 번호를 가진 원자들의 임의의 혼합물로 구성될 수 있습니다.

신요소

새로운 원소에 대한 탐구는 일반적으로 원자 번호를 사용하여 설명됩니다.2023년 현재 원자 번호 1~118의 모든 원소가 관측되었습니다.새로운 원소의 합성은 무거운 원소의 표적 원자에 이온을 주입함으로써 이루어지는데, 표적과 이온 원소의 원자 번호의 합은 생성되는 원소의 원자 번호와 같습니다.일반적으로 핵종의 반감기는 원자 번호가 ^{[citation needed]}증가함에 따라 짧아지지만, 특정한 "마법적인" 수의 양성자와 중성자를 가진 미발견 핵종은 상대적으로 긴 반감기를 가지고 안정성의 섬을 구성할 수 있습니다.

중성자로만 구성된 가상의 원소도 제안되었으며 원자 번호가 0일 것입니다.

참고 항목

참고문헌