La noción de número atómico y la mecánica cuántica

La tabla periódica de Mendeléiev presentaba ciertas irregularidades y problemas. En las décadas posteriores tuvo que integrar los descubrimientos de los gases nobles, las "tierras raras" y los elementos radioactivos. Otro problema adicional eran las irregularidades que existían para compaginar el criterio de ordenación por peso atómico creciente y la agrupación por familias con propiedades químicas comunes. Ejemplos de esta dificultad se encuentran en las parejas telurio-yodo, argón-potasio y cobalto-níquel, en las que se hace necesario alterar el criterio de pesos atómicos crecientes en favor de la agrupación en familias con propiedades químicas semejantes.
Durante algún tiempo, esta cuestión no pudo resolverse satisfactoriamente hasta que Henry Moseley (1867-1919) realizó un estudio sobre los espectros de rayos X en 1913. Moseley comprobó que al representar la raíz cuadrada de la frecuencia de la radiación en función del número de orden en el sistema periódico se obtenía una recta, lo cual permitía pensar que este orden no era casual sino reflejo de alguna propiedad de la estructura atómica. Hoy sabemos que esa propiedad es el número atómico (Z) o número de cargas positivas del núcleo.
La explicación que aceptamos actualmente de la "ley periódica" descubierta por los químicos de mediados del siglo pasado surgió tras los desarrollos teóricos producidos en el primer tercio del siglo XX. En el primer tercio del siglo XX se construyó la mecánica cuántica. Gracias a estas investigaciones y a los desarrollos posteriores, hoy se acepta que la ordenación de los elementos en el sistema periódico está relacionada con la estructura electrónica de los átomos de los diversos elementos, a partir de la cual se pueden predecir sus diferentes propiedades químicas.

Contribución de Werner y Moseley

La tabla periódica larga que en 1895 presentó Alfred Werner, es sin lugar a dudas una de las que más se utiliza actualmente con algunas adaptaciones y que fue el primer sistema periódico con la estructura larga que permite separar a los grupos A de los grupos B , la colaboración de los elementos dentro de la tabla coincide con las configuraciones electrónicas de los elementos aun cuando fue realizada muchos años antes de que éstas se conocieran, pero la serie de los lantánidos y la de los actínidos sólo tiene una casilla para cada una.
Al ordenar los elementos en la tabla periódica, fue natural dar a cada uno un número que indicara su posición en ella, aunque no se le concedió ningún significado físico hasta que Rutherford impuso su modelo atómico con un núcleo central diminuto y positivo .
En 1913, el físico inglés Henry Gwyn Moseley generó rayos X de diferentes longitudes de onda al bombardear sucesivamente con rayos catódicos el núcleo de 42 elementos sólidos diferentes; la frecuencia de los rayos X depende del metal que forma el ánodo en el tubo de rayos X .
Al analizar las mediciones de espectros de los rayos X, Moseley señaló que en el átomo existe una cantidad fundamental, Z , que aumenta por escalones regulares cuando se pasa de un elemento al siguiente y que sólo puede ser la carga del núcleo central positivo; además, indicó que Z es igual al número del lugar que ocupa el elemento en la tabla periódica . A esta cantidad fundamental se le llamó número atómico.
Por ejemplo, el número atómico (Z) y la la longitud de onda ( l ) de los rayos X producida por diferentes elementos:
Elemento Número atómico (Z) Longitud de onda (l )
K 19 4
Ti 22 3
Fe 26 2

Moseley encontró que las longitudes de onda de los rayos X se hacen más cortas a medida que aumenta la carga del núcleo, es decir, al aumentar el número atómico. El número atómico es el número de orden de un elemento de la tabla periódica y representa, además, el valor de la carga del núcleo y el número de protones (y el número de electrones). Al ordenar los elementos de acuerdo con los números atómicos, se obtiene un sistema periódico más satisfactorio y se deriva una ley periódica que se conoce con el nombre de la ley periódica de Moseley que dice :
" las propiedades de los elementos son función periódica de sus números atómicos ".
Las propiedades periódicas de los elementos, como tamaño atómico, potencial de ionización, afinidad electrónica, electronegatividad, etc. , dependen del aumento regular de la carga nuclear de los átomos a medida que su tamaño y complejidad aumentan.
La tabla periódica, cuyo uso está generalizado actualmente, deriva de los trabajos de Mendeleev, Werner y Moseley ; en ella los elementos se encuentran ordenados según sus números atómicos crecientes y se rige por la ley periódica de Moseley.