原子序数

原子序数的符号为 $Z$，是指原子核中质子的数目。它决定了化学元素的种类：原子序数相同的原子属于同一种元素，无论其中的中子数或电子数是否不同。原子序数也称质子数，是现代元素周期表排列元素的依据。与原子质量不同，原子序数是一个确切的计数值，而不是测得的质量或各同位素的平均值。(goldbook.iupac.org)

核电荷与电子

每个质子都带有一个正的元电荷 $e$，因此，含有 $Z$ 个质子的原子核所带的电荷为 $+Ze$。在电中性的原子中，这一正电荷由 $Z$ 个带负电的电子抵消。因此，原子序数既表示质子数，也表示中性原子的电子数。(openstax.org)

离子是得到或失去电子的原子或原子团，其原子核不一定发生变化。若离子的电子数为 $n_e$，则其净电荷为

例如，中性钠原子有 11 个电子，而钠离子 $\mathrm{Na}^{+}$ 有 10 个电子；两者的 $Z$ 均为 11。因此，通过电离移除电子，改变的是电荷状态，而不是元素种类。原子序数不应与离子符号右上角标示的电荷混淆。(openstax.org)

质量数、同位素与表示方法

原子序数不同于质量数 $A$，后者是质子数与中子数之和。对于中子数为 $N$ 的普通原子核，

同一种元素中，中子数不同的原子互称同位素。例如，碳-12 和碳-14 的 $Z$ 均为 6，但分别含有 6 个和 8 个中子。质量数不同并不会使它们在元素周期表中占据不同的位置。(openstax.org)

原子核或同位素通常表示为

其中，$\mathrm{X}$ 是元素符号。因此，${}^{14}_{6}\mathrm{C}$ 表示碳-14。由于元素符号本身已经确定了 $Z$，左下标 $Z$ 常被省略。相比之下，相对原子质量表示相对于原子质量标准的质量；元素表中列出的数值通常反映同位素组成，而非质子数。原子序数和质量数都是整数，而相对原子质量通常不是整数。(openstax.org)

历史发展

门捷列夫于 1869 年发表了他的元素周期体系，主要按原子量排列元素，同时利用化学性质的相似性处理难以确定的位置。然而，按原子量排列仍会出现例外，例如碲和碘：根据它们的化学性质，两者的排列顺序应与原子量所指示的顺序相反。(periodic-table.rsc.org)

决定性的实验进展来自亨利·莫塞莱在 1913—1914 年间的研究。他运用光谱学测量了各元素发出的特征X射线，发现其频率与原子序数之间存在系统性关系。他的研究为元素的排列顺序确立了可测量的物理依据，将元素的位置与核电荷而非原子量联系起来，也揭示了与尚未发现的元素相对应的空位。(nist.gov)

对于某一特定的特征 X 射线谱线系，莫塞莱定律可近似表示为

其中，$\nu$ 为频率，$a$ 和 $b$ 的取值取决于谱线系。这一关系解决了钴和镍等元素的排列顺序异常问题，并帮助确立了原子序数作为元素周期体系基本排序指标的地位。(nist.gov)

电子结构与周期性

原子序数确定了核电荷以及中性原子的电子数。这些量与量子力学原理共同决定了原子的电子排布，即电子在各个原子轨道中的分布。电子对轨道的占据遵循包括泡利不相容原理在内的规则，而不是简单地按经典物理图景排列在原子核周围。(openstax.org)

随着原子序数增大，外层电子排布周期性地重现，使化学性质也周期性地重现。元素周期表中同一族的元素通常具有相似的价电子排布，这解释了它们在成键和反应性方面的相似之处。因此，原子序数是周期分类的基础，但化学行为取决于电子结构和所处环境，而不只是质子数。(openstax.org)

原子核的吸引作用也会受到其他电子的部分屏蔽。在同一周期中，随着有效核吸引作用增强，原子尺寸通常减小，电离能通常升高，但也存在与轨道占据情况有关的例外。沿同一族向下，新增的电子层会改变这些趋势。因此，原子序数是组织元素性质的一个变量，并不意味着所有性质都会随它单调变化。(openstax.org)

核过程中的变化

普通化学变化会重新安排电子，但参与反应的原子核的原子序数保持不变。核变化则可以改变质子数，从而将一种元素转变为另一种元素。在阿尔法衰变中，原子核放出一个氦核，使 $Z$ 减少 2，$A$ 减少 4。在负贝塔衰变中，一个中子转变为质子，使 $Z$ 增加 1，而 $A$ 不变。正电子发射和电子俘获使 $Z$ 减少 1，同样不改变 $A$。伽马射线发射则不改变这两个数。(openstax.org)

在核反应方程式中，两侧的质量数标记之和与电荷数标记之和分别相等。发射出的电子或正电子所用的标记表示其电荷，而不是质子数：写作 ${}^{0}_{-1}\mathrm{e}$ 的电子并不含有“负一个质子”。这种表示方法区分了总电荷的守恒与单个原子核原子序数可能发生的变化。(openstax.org)