Количество протонов¶
Количество протонов — физическая величина, численно равная числу протонов в атомном ядре (или в другом объекте, например, в ядре иона или в молекуле). В атомной физике и химии она совпадает с атомным номером элемента и обозначается символом Z. Количество протонов определяет химические свойства атома, его положение в периодической таблице и массовое число ядра.
¶Определение и обозначение
Количество протонов в ядре атома называется атомным номером (порядковым номером) элемента и обозначается буквой Z. Оно является целым положительным числом: от 1 (водород) до 118 (оганесон), открытого в 2002 году и официально утверждённого в 2016 году. Атомный номер однозначно характеризует химический элемент: два атома с одинаковым числом протонов относятся к одному элементу, независимо от числа нейтронов и электронов.
Связь между атомным номером, числом нейтронов и массовым числом выражается формулой:
A = Z + N,
где A — массовое число (сумма протонов и нейтронов в ядре), Z — количество протонов, N — количество нейтронов. Отсюда число нейтронов в ядре определяется как N = A − Z.
¶Количество протонов и периодическая таблица
Периодическая таблица Менделеева построена по возрастанию атомного номера. Каждый элемент в таблице занимает позицию, определяемую числом протонов в его ядре. Химические свойства элементов периодически повторяются по мере увеличения Z — это и есть основной принцип периодического закона.
| Элемент | Символ | Z (протонов) |
|---|---|---|
| Водород | H | 1 |
| Гелий | He | 2 |
| Углерод | C | 6 |
| Кислород | O | 8 |
| Железо | Fe | 26 |
| Медь | Cu | 29 |
| Золото | Au | 79 |
| Уран | U | 92 |
| Оганесон | Og | 118 |
¶Изотопы и изобары
Атомы одного элемента могут содержать разное число нейтронов при одинаковом числе протонов — такие атомы называются изотопами. Например, углерод-12 и углерод-14 оба содержат 6 протонов, но различаются числом нейтронов (6 и 8 соответственно). Массовое число изотопа записывается слева от символа элемента в виде надстрочного индекса: ¹²C, ¹⁴C.
Изобары — ядра с одинаковым массовым числом, но разным числом протонов. Например, ⁴⁰Ar (18 протонов) и ⁴⁰K (19 протонов) имеют одинаковое A = 40, но относятся к разным элементам.
¶Измерение и определение
Количество протонов в атоме определяется экспериментально по спектральным характеристикам. Метод масс-спектрометрии позволяет измерять массу ионов с высокой точностью, что в сочетании с зарядом иона даёт возможность вычислить Z. Рентгеновская спектроскопия (закон Мозли) показала, что частота характеристического рентгеновского излучения элемента связана с атомным номером:
√ν = a(Z − b),
где ν — частота излучения, a и b — постоянные для данного семейства линий. Этот закон, открытый Генри Мозли в 1913 году, подтвердил, что атомный номер, а не атомная масса, является основной характеристикой элемента.
¶Роль в ядерных реакциях
В ядерных реакциях количество протонов в ядре сохраняется в определённой мере: при слиянии ядер сумма Z реагентов равна сумме Z продуктов (с учётом испускания заряженных частиц, например, позитронов или электронов). При бета-распаде нейтрон превращается в протон с испусканием электрона и антинейтрино, в результате чего атомный номер увеличивается на единицу, а массовое число остаётся неизменным. При альфа-распаде ядро теряет два протона и два нейтрона, поэтому Z уменьшается на 2.
¶Применение
Количество протонов лежит в основе классификации элементов, расчёта электронных конфигураций, предсказания химических свойств веществ. В ядерной энергетике и медицине знание Z и N ядер позволяет подбирать изотопы для реакторов, радиофармпрепаратов и диагностических процедур. В масс-спектрометрии и изотопной геохронологии соотношение изотопов (а значит, и разница в числе нейтронов при одинаковом Z) используется для датирования пород и определения возраста образцов.
¶Исторический контекст
До открытия протона в 1919 году Эрнестом Резерфордом понятие «атомный номер» не существовало. Первоначально элементы располагали по атомной массе, что приводило к аномалиям (например, аргон, масса 39,95, предшествует калию, масса 39,10). Решение этой проблемы — перестроение таблицы по числу протонов — стало одним из ключевых достижений атомной физики XX века.
¶Источники
- Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Курс общей физики. Том 3. Квантовая механика.
- Семёнов Н. Н. Цепные реакции.
- Мозли Г. В. Рентгеновские спектры элементов (1913).
- Резерфорд Э. Превращение азота в кислород (1919).
- Харрисон У. А. Введение в твёрдое тело.