原子番号

化学元素の原子番号または原子核電荷数（記号Z）は、その原子核の電荷数です。陽子と中性子で構成される通常の原子核の場合、これは陽子数（n _p ）またはその元素のすべての原子の原子核に含まれる陽子の数に等しくなります。原子番号は、通常の化学元素を一意に識別するために使用できます。通常の電荷を帯びていない原子では、原子番号は電子の数にも等しくなります。

陽子、中性子、電子を含む通常の原子の場合、原子番号Zと中性子数 Nの合計が原子の原子質量数 Aになります。陽子と中性子の質量はほぼ同じであり (電子の質量は多くの目的において無視できるほど小さい)、核子結合の質量欠損は常に核子質量に比べて小さいため、どの原子の原子質量も、ダルトンで表すと(「相対同位体質量」と呼ばれる量になります)、整数Aの 1% 以内になります。

原子番号が同じだが中性子数が異なる、つまり質量数が異なる原子は同位体として知られています。天然に存在する元素の4分の3強は同位体の混合物として存在し（モノアイソトピック元素を参照）、地球上の特定の環境における同位体混合物の平均同位体質量（相対原子質量と呼ばれる）によって、その元素の標準原子量が決まります。歴史的に、19世紀の化学者が測定できた量は、これらの元素の原子量（水素と比較した量）でした。

慣用記号Z はドイツ語のZahl「数」に由来するが、化学と物理学のアイディアが現代的に統合される以前は、周期表における元素の番号位置を単に表していたにすぎず、その順序は当時の原子量による元素の順序とほぼ一致していたが、完全には一致していなかった。1915 年以降、このZ数が原子核電荷であり原子の物理的特性でもあるという示唆と証拠によって、 Atomzahl (および英語の同義語であるatomic number )という単語がこの文脈で一般的に使用されるようになった。

上記の規則は、陽子、中性子、電子以外の短寿命の素粒子を含む エキゾチック原子には必ずしも適用されません。

19世紀には、「原子番号」という用語は通常、特定の体積内の原子の数を意味していました。^{[1] [2]現代の化学者は}モル濃度の概念を好んで使用します。

1913年、アントニウス・ファン・デン・ブルックは、原子核の電荷は素電荷の乗数として表され、周期表上の元素の順番の位置に等しいと提唱した。アーネスト・ラザフォードは、ファン・デン・ブルックの考えを論じたさまざまな論文の中で、周期表上の元素の位置を示すために「原子番号」という用語を使用した。^{[3] [4]}ラザフォード以前に「原子番号」という用語をこのように使用した著者は知られていないため、この定義を確立したのはおそらく彼であろう。^{[5] [6]}

1920年にラザフォードが陽子の存在を推測した後、「原子番号」は慣例的に原子の陽子数を指すようになった。1921年にドイツ原子量委員会は原子核電荷数に基づいて新しい周期表を作成し、1923年には国際化学元素委員会もそれに倣った。^[7]

元素周期表は元素の順序を作成し、元素に順番に番号を振ることができる。^{[8] : 222} ドミトリ・メンデレーエフは最初の周期表（1869年3月6日に初版発行）を原子量（「Atomgewicht」）の順に並べた。^[9]しかし、元素の観察された化学的性質を考慮して、彼は順序をわずかに変更し、テルル（原子量127.6）をヨウ素（原子量126.9）の前に置いた。 ^{[9] [10]この配置は、陽子数}Zで元素を並べる現代の慣習と一致しているが、当時はその数は知られておらず、疑われてもいなかった。

原子量の位置に基づく単純な番号付けは、決して完全に満足のいくものではありませんでした。ヨウ素とテルルの場合に加えて、アルゴンとカリウム、コバルトとニッケルなど、いくつかの他の元素のペアは、ほぼ同じか逆の原子量を持つことが後に示され、そのため、周期表での配置は化学的性質によって決定する必要が生じました。^{[8] : 222}しかし、原子番号が明らかではない化学的に類似したランタノイド元素が徐々に特定されたため、少なくともルテチウム（元素番号71）以降は、元素の周期表の番号付けに一貫性がなく不確実になりました（この時点ではハフニウムは知られていません）。

1911年、アーネスト・ラザフォードは、中心の原子核が原子の質量のほとんどと正電荷を保持する原子モデルを提示した。この正電荷は、電子の電荷の単位で、水素原子の数で表される原子の原子量の半分にほぼ等しい。この中心電荷はしたがって原子量の約半分になる（ただし、ラザフォードが推測の根拠とした唯一の元素である金の原子番号（Z = 79、A = 197）とはほぼ25%異なっていた）。しかし、金の中心電荷は約100であるとラザフォードが推定したにもかかわらず（ただし、周期表では元素Z = 79 ）、ラザフォードの論文が発表されてから1か月後、アントニウス・ファン・デン・ブルックは、原子の中心電荷と電子数は周期表の位置（元素番号、原子番号とも呼ばれ、記号Zで表記）と正確に等しいと初めて正式に示唆した。これは最終的に事実であることが証明された。

1913年のヘンリー・モーズリーの研究の後、実験的立場は劇的に改善されました。^[11]モーズリーは、同じ研究室にいたボーア（原子のボーアモデルでファンデンブルックの仮説を使用していた）と話し合った後、励起された原子から放出されるスペクトル線が、スペクトル線の周波数がZの2乗に比例するというボーア理論の仮説に適合するかどうかを見ることによって、ファンデンブルックとボーアの仮説を直接テストすることを決定しました。

これを行うために、モーズリーは、 X線 管内の一連の可動陽極ターゲットとして使用されたアルミニウム（Z  = 13）から金（Z = 79）までの元素によって生成される最も内側の光子遷移（K線とL線）の波長を測定した。^{[12]これらの光子}（X線）の周波数の平方根は、等差数列でターゲットからターゲットへと増加した。これにより、原子番号は（モーズリーの研究ではK線に対して1単位のオフセットで）計算された原子核の電荷、すなわち元素番号Zに密接に対応するという結論（モーズリーの法則）が導かれた。とりわけ、モーズリーは、ランタノイド系列（ランタンからルテチウムまでを含む）には15のメンバーが必要であり、それより少なくも多くもないことを実証したが、これは当時の既知の化学ではまったく明らかではなかった。

1915年にモーズリーが亡くなった後、水素からウラン（Z  = 92）までのすべての既知の元素の原子番号が彼の方法によって調べられた。見つからなかったため未発見とされた元素が7つ（Z  < 92）あり、原子番号43、61、72、75、85、87、91に相当した。^[13] 1918年から1947年にかけて、これら7つの行方不明の元素はすべて発見された。^[14]この時までに、最初の4つの超ウラン元素も発見されていたため、周期表はキュリウム（Z = 96）まで欠落なく完成していた 。

1915 年当時、原子核の電荷がZ単位で量子化される理由は理解されていませんでした。Z は、現在では元素番号と同じであると認識されています。プラウトの仮説と呼ばれる古い考えでは、元素はすべて最も軽い元素である水素の残基 (または「プロタイプ」) でできていると仮定されていました。水素は、ボーア-ラザフォード モデルでは電子 1 個と原子核電荷 1 個を持っていました。しかし、1907 年という早い時期に、ラザフォードとトーマス ロイズは、+2 の電荷を持つアルファ粒子がヘリウム原子の原子核であり、ヘリウム原子の質量は水素の 2 倍ではなく 4 倍であることを示していました。プラウトの仮説が正しいとすれば、より重い原子の原子核に存在する水素原子核の電荷の一部を何かが中和しているに違いありません。

1917年、ラザフォードはアルファ粒子と窒素ガスの核反応から水素原子核を生成することに成功し、 ^[15]プラウトの法則を証明したと信じた。彼は1920年にこの新しい重い原子核粒子を陽子と名付けた（別名はプロウトン、プロタイル）。モーズリーの研究から、重原子核は水素原子核から作られていることから予想される質量の2倍以上あることがすぐに明らかになったため、すべての重原子核に存在すると推定される余分な陽子を中和する仮説が必要になった。ヘリウム原子核は4つの陽子と2つの「核電子」（原子核内に束縛された電子）を持ち、2つの電荷を打ち消すと推定された。周期表の反対側では、水素の 197 倍の質量を持つ金の原子核には 118 個の核電子が含まれており、原子番号と一致する +79 の残留電荷を与えると考えられていました。

原子核電子に関する考察は、 1932 年にジェームズ チャドウィックが中性子を発見したことで終わりました。金の原子には 118 個の原子核電子ではなく 118 個の中性子が含まれていると考えられ、その正の原子核電荷は 79 個の陽子からのみ発生することが判明しました。モーズリーは以前、元素の原子番号Z がこの正電荷に等しいことを示していたため、 Zがその原子核の陽子数に等しいことは明らかでした。

各元素は、中性原子に存在する電子の数（ Z、原子番号）の結果として、特定の化学的性質を持っています。これらの電子の配置は、量子力学の原理に従います。各元素の電子殻、特に最外殻の価電子殻の電子数は、その化学結合挙動を決定する主な要因です。したがって、元素の化学的性質を決定するのは原子番号のみであり、このため、元素は、特定の原子番号を持つ 任意の原子の混合物で構成されると定義できます。

新元素の探索は、通常、原子番号を使用して説明されます。2024年の時点で、原子番号1から118までのすべての元素が観測されています。新元素の合成は、ターゲットの重元素原子にイオンを衝突させることによって達成され、ターゲット元素とイオン元素の原子番号の合計が、作成される元素の原子番号に等しくなります。一般に、核種の半減期は原子番号が増加するにつれて短くなりますが、^{[要出典]、}特定の「魔法の」数の陽子と中性子を持つ未発見の核種は、比較的長い半減期を持ち、安定の島を構成する可能性があります。

中性子のみで構成された仮説上の元素である中性子ニウムも提案されており、原子番号0となるが^[16]、観測されたことはない。

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• 原子論
• 化学元素 – より単純なもので構成されていない化学物質
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• 周期表の歴史 – 化学元素表の発展
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• 質量数 – 原子核内の重い粒子の数
• 中性子数 – 核種中の中性子の数
• 中性子陽子比 – 原子核内の中性子と陽子の比
• プラウトの仮説 – 質量欠損を考慮しない初期の原子モデル