Что позволяет протонам придавать новые свойства атому каждый раз, когда он добавляется?

Вы не правы в своей последней части анализа; химические свойства (что в основном имеет значение в обычном веществе) зависят почти только от электронной оболочки и, в частности, от самых внешних электронов (называемых валентными электронами).

Так что больше протонов означает больше электронов и другую электронную оболочку, что означает другие химические свойства.

Почему существует такое разнообразие свойств только за счет изменения электронной оболочки, это одно из чудес химии! Благодаря квантовой механике электроны не просто вращаются вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца, а выстраиваются в особые, сложные узоры. Имея разные модели, вы можете достичь множества различных геометрий связывания атомов и атомов при множестве различных энергий. Именно это дает разнообразие химических свойств вещества (см. таблицу Менделеева).

Вы можете добавлять или удалять электроны к атому, чтобы электронные оболочки больше походили на оболочки другого атома (с другим числом протонов), но тогда атом в целом уже не является электрически нейтральным, и из-за силы электромагнитной силы, полученный ион не очень хорошо имитирует другой тип атома (я не химик - я уверен, что есть свойства, которые действительно могут стать похожими).

Многие физические свойства также в основном связаны с электронными оболочками, например, взаимодействие фотонов, включая цвет. Масса, очевидно, связана почти только с ядром, и я должен добавить, что во многих химических процессах масса атомов важна для динамики процессов, даже если она не связана напрямую с химическими связями.

Это было просто небольшое введение в химию и ядерную физику ;)

Кроме того, очевидно, что добавление (или вычитание) электронов ничего не меняет [...]

Два различия, которые вы описываете между медью и цинком, на самом деле связаны с электронами в атомах. Таким образом, решающее различие между двумя атомами заключается в том, что они имеют разные электронные конфигурации в электрически нейтральном состоянии (когда количество электронов равно количеству протонов).

Различные цвета обусловлены определенной длиной световой волны, которую излучают электроны, когда они переключаются из возбужденного состояния обратно в свое основное состояние. Таким образом, разные электронные конфигурации приводят к разным цветам. Точно так же проводимость зависит от наличия (почти) свободных электронов в металле, так что они могут образовывать электронный газ. Если это так, то это в решающей степени зависит от электронов на самых внешних орбитах атома.

Ионы одних и тех же элементов ведут себя совершенно по-разному. У вас просто не может быть стабильного куска (скажем) ионов меди с цветом и проводимостью.

Есть два процесса, когда вы добавляете новый протон к ядру, стремясь получить новый нейтральный атом:

1. Добавление протона, увеличивающее заряд ядра на 1
2. Добавление электрона, которое компенсирует увеличение заряда ядра, чтобы сделать атом электрически нейтральным.

Рассмотрим эти две части процесса по отдельности. Во-первых, предположим, что у вас есть атом калифорния , который имеет 98 протонов. Если вы удалите электрон, вы получите ион, энергетическое состояние которого будет очень похоже на состояние берклия , с одним существенным отличием:$\mathrm{Cf}^+$уже не является электрически нейтральным объектом. Это означает, что даже если один ион будет вести себя так же, как$\mathrm{Bk}$атома (т.е. его спектры излучения и поглощения, интенсивности спектральных линий будут качественно очень похожими), он не стабилен по отношению к присоединению электрона. Это влияет на его химические свойства. Ион «хочет» вернуть себе недостающий электрон, и когда он видит атом, он пытается притянуть один из своих электронов. То же самое и дальше: когда вы удаляете второй электрон, получая$\mathrm{Cf}^{++}$, этот ион будет иметь очень похожие свойства на свойства$\mathrm{Cm}$, но он не будет стабилен по отношению к присоединению электрона, и поэтому взаимодействие с другими атомами и ионами также будет сильно отличаться.

Что мы можем сделать, чтобы исправить эту нестабильность? Конечно, мы должны компенсировать возросший общий заряд удалением протона из ядра. После того, как вы удалите протон (и соответствующее количество нейтронов для предотвращения деления) из, например,$\mathrm{Cf}^+$ядро, вы не получите ничего, кроме уже знакомого$\mathrm{Bk}$атом, который будет электрически нейтрален и, таким образом, не будет стремиться к приобретению дополнительного электрона (по крайней мере, не так сильно — связанные состояния с дополнительными электронами всегда возможны).

Каков вывод? Все просто: добавление еще одного протона к ядру просто выбирает стабильную электронную конфигурацию из всех возможных конфигураций. И выбранная конфигурация «по умолчанию» — это то, что делает атомы такими разными химическими свойствами.

Вы, наверное, слышали, как ваши учителя говорили, что химические свойства элемента определяются количеством протонов (также называемым атомным номером, также представленным в$Z$). Это верно в самом строгом смысле, но только потому, что количество протонов в атоме определяет поведение электронов.

В повседневных взаимодействиях типы химических реакций и химических изменений, которые вы видите, являются результатом взаимодействия или поведения между электронами атомов. Например, химические связи являются результатом взаимодействий между валентными электронами атомов, а химические реакции — результатом разрыва этих химических связей, а затем их восстановления по-новому. Возможно, вы уже узнали все это на уроках химии или физики.

Чего вы можете не знать, и именно здесь в дело вступает физика, так это того, что электроны могут существовать только с дискретным (то есть не непрерывным) количеством энергии. Эти дискретные энергетические уровни влияют на типы электронных оболочек и подоболочек, которые имеет конкретный элемент. Кроме того, эти энергетические уровни определяются атомным номером,$Z$, ядра.

Если вы все еще учитесь в старшей школе или на вводном курсе естественных наук в колледже, возможно, вы еще не до конца понимаете приведенный ниже рисунок. На данный момент просто знайте, что диаграмма представляет количество энергии, которой обладает электрон, когда он занимает различные энергетические уровни. Также обратите внимание, что водород ($Z=1$) и Меркурий ($Z=80$) сильно различаются, и, как следствие, количество энергии, которой обладает электрон, также отличается. Именно эти различия в энергии порождают множество свойств, например, насколько легко атом может быть ионизирован (вы могли бы взглянуть на$n=\infty$уровень). Кроме того, спектры излучения конкретного элемента определяются этими уровнями энергии, потому что длина волны испускаемых фотонов напрямую зависит от количества энергии, выделяемой электроном, когда он падает с энергетического уровня.

Изображение получено с www.aplusphysics.com

Каждый ответ был фантастическим, но также стоит помнить, что чем массивнее ядро, тем сильнее проявляются релятивистские эффекты в атоме. Это может сильно повлиять на вещи.

Чем тяжелее ядро, тем быстрее должны двигаться электроны S-оболочки, чтобы избежать столкновения с ядром. Эти электроны становятся более массивными из-за их относительной близости к скорости света, и из-за квантовых эффектов это значительно уменьшает размер волновых функций для этих электронов. Это называется «релятивистским сжатием», и оно становится очень важным для более тяжелых элементов.

Это, в сочетании с тем, как электроны размещены в оболочках, объясняет многие странные свойства некоторых элементов, в том числе плотность осмия, цвет золота и то, что ртуть является жидкостью наряду с другими.

Должно быть очевидно, что электроны и их размещение абсолютно и неизбежно являются неотъемлемой частью идентичности и свойств различных элементов. Во многом это связано с тем, что электроны являются фермионами, что с точки зрения непрофессионала означает, что два электрона не могут находиться в одном и том же месте одновременно, поэтому оболочки строятся вокруг этого принципа, и это имеет огромное значение для того, как атомы связаны.

Что-то еще, относящееся к ядру; следует помнить, что нуклоны могут быть и часто рассматриваются так же, как электроны, и ядро ​​​​на самом деле также подвержено различным «оболочкам». Это называется моделью ядерной оболочки, и нуклоны (протоны и нейтроны считаются отдельно) добавляются к самым низким возможным уровням энергии, подобно электронам. При этом существуют определенные «магические числа», когда оболочка в ядре полностью заполнена, и на этих уровнях энергия связи особенно сильна, и это объясняет стабильность некоторых элементов, таких как кальций и олово.

Еще один фактор: добавление протонов к ядру увеличивает его заряд, и поэтому притяжение между ядром и электронами становится сильнее. В результате радиус атома уменьшается, что играет роль в химических взаимодействиях. Другое следствие состоит в том, что теперь требуется больше энергии, чтобы заставить атом потерять электрон.

http://en.wikipedia.org/wiki/Атомный_радиус

Из-за квантовых свойств электронов в каждом периоде увеличивается радиус атома.

Сочетание этих факторов придает элементам в правом верхнем углу больше неметаллических свойств, а элементам в нижнем левом углу - больше металлических свойств.