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原子序数（atomic number）又称原子序[1]、核电荷数[2]（nuclear charge number），常以符号 Z 表示[3]，是元素在周期表中排位的序号[4]；拥有同一原子序数的原子属于同一化学元素。原子序等于质子数（proton number，np），即一个原子核内质子的数目或核电荷数；原子序又等于原子电中性时的核外电子数目[5]。
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由于每种元素的原子序数均固定，一般而言不需要特别为原子标示其原子序数。如果想明示原子的原子序数，可将其标示在元素符号的左下方，如：氢记作1H，碳记作6C。
德米特里·门捷列夫在制定其元素周期表时发现，假如将元素按其原子核质量来排列会出现一些不规则的情况。比如碲的原子核比碘重，但从化学性质上来说，碲明显是与氧、硫、硒一族的，而碘与氟、氯、溴是一族的，也就是说，碘要排在碲之后。1913年亨利·莫塞莱发现这个异常的解决方法不是按原子质量，而是按原子核的电荷数，即原子序来排列。
原子序数一般会用 Z 表示，可能是来自原子序的德文 Atomzahl [6]。不过在1915年之前，德文 Zahl（数字）用来表示元素在周期表中的编号。
每个化学元素依其元素电中性时电子的个数（也就是原子序数）不同，会有独特的化学性质。电子的电子排布依照量子力学的原理，不同电子层的电子个数，特别是价电子的个数，是决定化学键特性的主要因素。因此元素可以定义为由许多有特定原子序数的任意原子混合而成的物质。
新发现的元素一般会用其原子序来表示，到2010年为止，已经发现原子序1至118的元素，第118号的元素是鿫。新元素的合成是用离子撞击有高原子序的靶原子，而离子和靶原子的原子序和等于要发现元素的原子序。一般而言，当原子序越大，其半衰期越短，而原子序是偶数的半衰期会比原子序是奇数的长，不过可能针对特定质子数及中子数的同位素，会存在稳定岛，其半衰期会较相同原子序的元素要长一些。
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