العدد الذري

يُرتب الجدول الدوري للعناصر العناصرَ وفقًا لترتيبها، وبالتالي يمكن ترقيمها. ^{[ 11 ] : 222} رتب ديمتري مندليف جداوله الدورية الأولى (التي نُشرت لأول مرة في 6 مارس 1869) وفقًا للوزن الذري . ^{[ 12 ]} ومع ذلك، ونظرًا للخصائص الكيميائية المرصودة للعناصر، غيّر الترتيب قليلًا ووضع التيلوريوم (وزنه الذري 127.6) قبل اليود (وزنه الذري 126.9). ^{[ 12 ] [ 13 ]} يتوافق هذا الترتيب مع الممارسة الحديثة لترتيب العناصر حسب عدد البروتونات، Z ، ولكن هذا العدد لم يكن معروفًا أو متوقعًا في ذلك الوقت.

لم يكن الترقيم البسيط القائم على موقع الوزن الذري مُرضيًا تمامًا. فبالإضافة إلى حالة اليود والتيلوريوم، تبيّن لاحقًا أن العديد من أزواج العناصر الأخرى (مثل الأرجون والبوتاسيوم ، والكوبالت والنيكل ) لها أوزان ذرية متطابقة تقريبًا أو معكوسة، مما استلزم تحديد موقعها في الجدول الدوري بناءً على خصائصها الكيميائية. ^{[ 11 ] : 222} ومع ذلك ، أدى التحديد التدريجي لعناصر اللانثانيدات المتشابهة كيميائيًا ، والتي لم يكن عددها الذري واضحًا، إلى عدم اتساق وعدم يقين في الترقيم الدوري للعناصر، على الأقل بدءًا من اللوتيتيوم (العنصر 71) ( لم يكن الهافنيوم معروفًا في ذلك الوقت).

في عام 1911، قدّم إرنست رذرفورد نموذجًا للذرة، حيث تحتوي النواة المركزية على معظم كتلة الذرة وشحنة موجبة، تُقاس بوحدات شحنة الإلكترون، وتُعادل تقريبًا نصف الوزن الذري للذرة، مُعبرًا عنه بعدد ذرات الهيدروجين. وبالتالي، تُعادل هذه الشحنة المركزية نصف الوزن الذري تقريبًا (مع أنها تختلف بنسبة 25% تقريبًا عن العدد الذري للذهب ( Z = 79 ، A = 197 )، وهو العنصر الوحيد الذي استند إليه رذرفورد في تخمينه). ومع ذلك، ورغم تقدير رذرفورد أن الذهب يحمل شحنة مركزية تُقارب 100 (مع أنه العنصر Z = 79 في الجدول الدوري)، فقد اقترح أنطونيوس فان دن بروك ، بعد شهر من نشر ورقة رذرفورد، رسميًا أن الشحنة المركزية وعدد الإلكترونات في الذرة يُساويان تمامًا موقعها في الجدول الدوري (المعروف أيضًا برقم العنصر أو العدد الذري، ويرمز له بـ Z ). وقد ثبتت صحة هذا الاقتراح لاحقًا.

لقد تحسن الوضع التجريبي بشكل كبير بعد بحث أجراه هنري موزلي في عام 1913. ^{[ 14 ]} قرر موزلي، بعد مناقشات مع بور الذي كان في نفس المختبر (والذي استخدم فرضية فان دن بروك في نموذج بور للذرة)، اختبار فرضية فان دن بروك وبور بشكل مباشر، من خلال معرفة ما إذا كانت الخطوط الطيفية المنبعثة من الذرات المثارة تتناسب مع افتراض نظرية بور بأن تردد الخطوط الطيفية يتناسب مع مربع Z.

لتحقيق ذلك، قاس موزلي أطوال موجات انتقالات الفوتونات الداخلية (خطوط K وL) الناتجة عن العناصر من الألومنيوم ( Z  =  13) إلى الذهب ( Z  =  79) المستخدمة كسلسلة من الأهداف الأنودية المتحركة داخل أنبوب أشعة سينية . ^{[ 15 ]} وقد ازداد الجذر التربيعي لتردد هذه الفوتونات (الأشعة السينية) من هدف إلى آخر في متتالية حسابية . أدى ذلك إلى استنتاج ( قانون موزلي ) مفاده أن العدد الذري يتوافق بشكل وثيق (مع إزاحة وحدة واحدة لخطوط K، في دراسة موزلي) مع الشحنة الكهربائية المحسوبة للنواة، أي العدد الذري Z. ومن بين أمور أخرى، أثبت موزلي أن سلسلة اللانثانيدات (من اللانثانوم إلى اللوتيتيوم شاملةً) يجب أن تحتوي على 15 عنصرًا - لا أقل ولا أكثر - وهو أمر لم يكن واضحًا في الكيمياء المعروفة آنذاك.

بعد وفاة موزلي عام 1915، تم فحص الأعداد الذرية لجميع العناصر المعروفة من الهيدروجين إلى اليورانيوم ( Z  =  92) باستخدام طريقته. وُجدت سبعة عناصر ( Z  <  92) لم يتم العثور عليها، وبالتالي تم تصنيفها على أنها غير مكتشفة بعد، وهي العناصر التي تتوافق مع الأعداد الذرية 43، 61، 72، 75، 85، 87، و91. ^{[ 16 ]} بين عامي 1918 و1947، تم اكتشاف جميع هذه العناصر السبعة المفقودة. ^{[ 17 ]} وبحلول ذلك الوقت، تم اكتشاف العناصر الأربعة الأولى من عناصر ما بعد اليورانيوم ، وبذلك اكتمل الجدول الدوري دون أي ثغرات حتى عنصر الكوريوم ( Z  =  96).

في عام ١٩١٥، لم يكن سبب تكميم الشحنة النووية بوحدات Z ، التي أصبح من المعروف آنذاك أنها تساوي العدد الذري للعنصر، مفهومًا. افترضت فرضية قديمة تُعرف باسم فرضية براوت أن جميع العناصر تتكون من بقايا (أو "بروتيلات") من أخف العناصر، الهيدروجين، الذي كان في نموذج بور-روذرفورد يحتوي على إلكترون واحد وشحنة نووية تساوي واحدًا. مع ذلك، في وقت مبكر من عام ١٩٠٧، أثبت روذرفورد وتوماس رويدز أن جسيمات ألفا، التي تحمل شحنة +٢، هي أنوية ذرات الهيليوم، التي تبلغ كتلتها أربعة أضعاف كتلة الهيدروجين، وليس ضعفها. إذا كانت فرضية براوت صحيحة، فلا بد من وجود عامل يُعادل جزءًا من شحنة أنوية الهيدروجين الموجودة في أنوية الذرات الأثقل.

في عام 1917، نجح رذرفورد في توليد نوى الهيدروجين من تفاعل نووي بين جسيمات ألفا وغاز النيتروجين ، ^{[ 18 ]} واعتقد أنه أثبت قانون بروت. أطلق على الجسيمات النووية الثقيلة الجديدة اسم البروتونات في عام 1920 (وتُعرف أيضًا باسم البروتونات والبروتيلات). كان من الواضح منذ البداية، استنادًا إلى عمل موزلي، أن نوى الذرات الثقيلة تمتلك كتلة تزيد عن ضعف الكتلة المتوقعة من كونها مكونة من نوى الهيدروجين ، وبالتالي كانت هناك حاجة إلى فرضية لمعادلة البروتونات الزائدة المفترض وجودها في جميع النوى الثقيلة. افترض أن نواة الهيليوم تحتوي على أربعة بروتونات بالإضافة إلى إلكترونين نوويين (إلكترونات مرتبطة داخل النواة) لمعادلة شحنتين. في الطرف الآخر من الجدول الدوري، كان يُعتقد أن نواة الذهب التي تبلغ كتلتها 197 ضعف كتلة الهيدروجين تحتوي على 118 إلكترونًا نوويًا في النواة مما يعطيها شحنة متبقية قدرها +79، وهو ما يتوافق مع عددها الذري.

انتهى كل بحثٍ حول الإلكترونات النووية باكتشاف جيمس تشادويك للنيوترون عام ١٩٣٢. أصبح يُنظر إلى ذرة الذهب  على أنها تحتوي على ١١٨ نيوترونًا بدلًا من ١١٨ إلكترونًا نوويًا، وأُدرك أن شحنتها النووية الموجبة ناتجة بالكامل عن وجود ٧٩ بروتونًا. وبما أن موزلي كان قد أثبت سابقًا أن العدد الذري Z للعنصر يساوي هذه الشحنة الموجبة، فقد بات من الواضح الآن أن Z هو نفسه عدد بروتونات نواته.