Niels Bohr és D. Coster

A Röntgen-spektrumok és az elemek periódusos rendszere

részletek

(Roentgen Spectra and the Periodic System of the Elements)

(Zeistschrift für Physik, Vol. 12 (1923), pp. 342-349)

(Eduard Farber: Milestones of Modern Chemistry, Basic Books, Inc., Publishers, New York, London, 1966)

Bohr

Niels Bohr
(1885-1962)

A folyóirat egyik korábbi cikkében [1] a szerzôk egyike egy atomszerkezet-elmélet fô aspektusait fejtette ki. Ennek az elméletnek az alapján lehetségesnek látszik az optikai és a Röntgen-spektrumok olyan értelmezése, amely közeli kapcsolatban áll az elemek periódusos rendszerének értelmezésével. A dolgozat megjelenése után az elmélet ellenôrzésére alkalmas, kísérleti Röntgen-spektrometriás anyag jelentôsen gazdagodott a másik szerzô vizsgálatai nyomán. A mérési adatok és az elmélet kapcsolatát egy nemrégiben publikált cikk tárgyalta [2], amely számos érdekes eredményre derített fényt. A mostani közös dolgozatban a kísérleti adatok és az elmélet összevetése valamelyest mélyrehatóbb, mint az idézett tanulmányokban, és elôtérbe kerül a Röntgen-spektrumok alkalmazása a periódusos rendszer értelmezésére.

Az atomszerkezet elméletérôl

Az elmélet az atomban lévô elektronpályák osztályozására épül, amely a centrális mozgást végzô elektron stacionárius állapotainak összehasonlításán alapul. A pályákat nk jelöli. n az úgynevezett "fôkvantumszám", amely határesetben, amikor a centrális mozgás egyszerû, periodikus Kepler-mozgás [3], az egyetlen energiameghatározó tényezô, amint a hidrogén-spektrumra vonatkozó Balmer-formulából kitûnik. Szintén jól ismert, hogy az elektron pályájának középpontjára vonatkoztatott impulzusmomentumát az "azimutális kvantumszám", k jelöli, amely attól függôen játszik szerepet az energiában, hogy a mozgás mennyire tér el az egyszerû periodikus mozgástól. Ennek a kvantumszámnak a bevezetésén alapul természetesen a hidrogénvonalak finomszerkezetére vonatkozó Sommerfeld-elmélet. A finomszerkezet azért lép fel, mert a mechanika törvényeinek relativisztikus módosulása következtében még a pozitív atommag körül keringô egyetlen elektron pályája sem szigorúan periodikus, hanem olyan Kepler-ellipszissel írható le, amely a pálya síkjában lassú forgást végez. Azoknak az elektronoknak a száma, amelyek - az elmélet szerint - a normális [nem gerjesztett] atom különbözô típusú nk-pályáihoz tartoznak, az 1. táblázatban szerepel. Az itt leírt atomszerkezet - a jellegzetes új vonásoktól eltekintve - sok hasonlóságot mutat azokkal elméletekkel, amelyeken Sommerfeld és Vegard Röntgen-spektrum vizsgálatai alapulnak.

1. táblázat

Elem / nk 11 21 22 31 32 33 41 42 43 44 51 52 53 54 61 62 63 64 65 66 71 72
1 H
2He		 1
2
3 Li
4 Be
5 B
10 Ne		 2
2
2
2		 1
2
2
4

(1)
4
11 Na
12 Mg
13 Al
18 A		 2
2
2
2		 4
4
4
4		 4
4
4
4		 1
2
2
4

1
4
19 K
20 Ca
21 Sc
22 Ti
29 Cu
30 Zn
31 Ga
36 Kr		 2
2
2
2
2
2
2
2		 4
4
4
4
4
4
4
4		 4
4
4
4
4
4
4
4		 4
4
4
4
6
6
6
6		 4
4
4
4
6
6
6
6

1
2
6
6
6
6		 1
2
(2)
(2)
1
2
2
4






1
4
37 Rb
38 Sr
39 Y
40 Zr
47 Ag
48 Cd
49 In
54 X		 2
2
2
2
2
2
2
2		 4
4
4
4
4
4
4
4		 4
4
4
4
4
4
4
4		 6
6
6
6
6
6
6
6		 6
6
6
6
6
6
6
6		 6
6
6
6
6
6
6
6		 4
4
4
4
6
6
6
6		 4
4
4
4
6
6
6
6

1
2
6
6
6
6		 1
2
(2)
(2)
1
2
2
4






1
4
55 Cs
56 Ba
57 La
58 Ce
59 Pr
71 Lu
72 --
79 Au
80 Hg
81 Tl
86 Nt		 2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2		 4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4		 4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4		 6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6		 6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6		 6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6		 6
6
6
6
6
8
8
8
8
8
8		 6
6
6
6
6
8
8
8
8
8
8		 6
6
6
6
6
8
8
8
8
8
8



2
8
8
8
8
8
8		 4
4
4
4
4
4
4
6
6
6
6		 4
4
4
4
4
4
4
6
6
6
6

1
1
1
1
2
6
6
6
6		 1
2
(2)
(2)
(2)
(2)
(2)
1
2
2
4










1
4
87 --
88 Ra
89 Ac
90 Th
118 Y		 2
2
2
2
2		 4
4
4
4
4		 4
4
4
4
4		 6
6
6
6
6		 6
6
6
6
6		 6
6
6
6
6		 8
8
8
8
8		 8
8
8
8
8		 8
8
8
8
8		 8
8
8
8
8		 6
6
6
6
8		 6
6
6
6
8		 6
6
6
6
8



8		 4
4
4
4
6		 4
4
4
4
6

1
2
6		 1
2
(2)
(2)
4



4

Megjegyzés: 1925-re a Röntgen-spektrumok alapján megváltoztatták az alcsoportok egyenletes elektroneloszlást; az új szabály 4 elektronos, lépésenkénti növekedést írt elô. Így a 86-os elemet, amelyet ma Rn-nel jelölnek (az Nt=niton helyett), a következô elektron-konfugráció reprezentálta (E. Farber):

2 | 2 6 | 2 6 10 | 2 6 10 14 | 2 6 10 | 2 6

A táblázatból kitûnik, hogy elektronpályák olyan csoportokat alkotnak, amelyek ugyanahhoz az n fôkvantumszámhoz tartoznak. Ezeknek a csoportoknak a kialakulása - a nagyobb atomszámú [rendszámú] elemek felé haladva - kapcsolatban áll a periódusos rendszerben jelentkezô szabályszerûségekkel. Igen fontos tulajdonság, hogy a csoportok alcsoportokra bomlanak, amelyek a k azimutális kvantumszám különbözô értékeinek felelnek meg. Az elemek rendszerének egyszerû periodicitásától való tipikus eltérések oka (a vascsoport, a platinafémek és a ritkaföldfémek esetében) az lehet, hogy

Ezeket a jellegzetességeket különösen jól szemlélteti a periódusos rendszer 1. ábra szerinti elrendezése, ahol a rendszer azonos periódusához tartozó elemek függôleges oszlopokba kerültek. Az egymást követô oszlopok elemeit, amelyek kémiai és optikai tulajdonságaikban homológoknak tekinthetôk, egyenes vonalak kötik össze. Azoknak az egymást követô elemeknek a sorozatát, amelyek belsô csoportjaik felépülését tekintve különleges helyet foglalnak el, vonalak keretezik.

1. ábra

1. ábra

Az 1. táblázat legfontosabb jellegzetességei azokon az általános meggondolásokon alapszanak, amelyeket a fent említett cikk tartalmaz. A részletek kidolgozásában a spektrumok sorozatának alapos vizsgálata játszik fontos szerepet. Bár ezekbôl a spektrumokból is világosan kitûnik a belsô elektroncsoportok fokozatos képzôdése, a spektrumok sorozatából kapható közvetlen információ elsôsorban azoknak az új típusú elektronpályáknak a fokozatos megjelenése, amelyek a [csoport-]képzôdés lépéseit bevezetik. Ennek megfelelôen az 1. táblázat lényegében csak azokat az elemeket tünteti fel, amelyek a [csoport-] képzôdés elsô lépései. Amikor a spektrumokból nem vonható le egyértelmû következtetés a legkülsô csoportokban levô elektronok számára, a legmagasabb kvantumpályáknak megfelelô elektronok száma zárójelben szerepel. A csoportok további képzôdését csak a végeredmény, de a teljesen kialakult csoportok leírása is tartalmaz még bizonytalanságot; elsôsorban az ugyanabban a fôcsoportba és ennek alcsoportjaiba tartozó elektronmozgások kölcsönhatásának részletei várnak tisztázásra. [...]

A Röntgen-spektrumok osztályozása

Coster fent idézett dolgozatából más ismert, hogy igen sok elem esetében a Röntgen-spektrumok azon az alapon osztályozhatók, hogy az egyes vonalak n frekvenciája két spektrum-vonal[term], T' és T" különbségével reprezentálható. A vonalas spektrumok kvantumelméletének elveivel összhangban ezek a spektrum-termek - h-val megszorozva - egy olyan atom energiaszintjeivel értelmezhetôk, amely egy belsô csoport egyik elektronjának eltávolítása miatt kikerült a normális állapotból.

A 2. ábra a radon (86) nemesgáz várható karakterisztikus Röntgen-spektrumát mutatja. A spektrumvonalakat - a szokásos módon - függôleges nyilak jelölik, a vízszintes vonalak a szinteket jelzik. Az ábrán csak azok a vonalak szerepelnek, amelyeket a radon szomszédságában levô több elemre is kimértek, de a diagram azoknak az elemeknek a spektrumára is utal, amelyek a xenon és a kripton szomszédságában vannak. Azokat a szinteket, amelyek a kisebb atomszámú elemek felé haladva eltûnnek a radon (86) és a xenon (54) között, egyetlen függôleges vonal jelzi, a xenon (54) és a kripton (36) között eltûnô szinteket két vonal jelöli.

2. ábra

2. ábra

Az ábrából kitûnik, hogy a szintek jelei eltérnek az elôzô dolgozatokban használt jelektôl. Elôször is a szintek azonos csoportjához tartozó alszinteket római számok jelzik abban a sorrendben, amelyben - az atomszám növekedésének megfelelôen - fokozatosan megjelennek az elemek Röntgen-spektrumában. Azután minden szinthez tartozik egy n(k1,k2) alakú számcsoport. Késôbb részletesen tárgyaljuk a jelölések és az atomszerkezetre vonatkozó elmélet kapcsolatát. Itt csak arra szeretnénk rámutatni, hogy a 2. ábrán a három nemesgáz spektrumait reperezentáló szinteket azok az n és k értékek jellemzik, amelyek az 1. táblázatban a nemesgáz-elemek atomjainak elektronpályáihoz tartozó n és k kvantumszámok értékeiként jelennek meg. Az is megfigyelhetô, hogy a szintek közötti kombinációknak megfelelô vonalak megjelenésében az a szabály jut érvényre, hogy az átmenet folyamatában a k1 szám mindig egy egységgel változik, míg a k2 vagy eggyel változik, vagy állandó marad. Ezek a szabályok ekvivalensek azokkal a szabályokkal, amelyeket Coster korábbi munkájában a régi jelekkel fejezett ki, és formálisan pontosan megfelelnek azoknak a szabályoknak, amelyeket ugyanebben az idôben Wentzel fogalmazott meg. A k1-re és k2-re bevezetett numerikus értékek megegyeznek azoknak az n és m számoknak az értékeivel, amelyeket ez utóbbi szerzô a szintek osztályozására használt. A számok elméleti jelentôségét azonban egy kissé eltérô módon fogjuk értelmezni.

Az energiaszintek meghatározása a kísérleti anyagból

A Röntgen-spektrumok jelenleg rendelkezésre álló mérési adatai lehetôvé teszik, hogy igen pontosan meghatározzuk számos elem energiaszintjeit. ...

[Bohr és Coster ezután egy táblázatot közöl, amely más szerzôk kísérleti eredményeit tartalmazza. A különbözô elemek energiaszintjeit ennek a táblázatnak az adatai alapján számították ki a cikkben leírt módszerrel. E. Farber]

[1] N Bohr, Zeistschrift für Physik, Vol. 9 (1922), p. 1.

[2] D. Coster, Philosophical Magazine, Vol. 43 (1922), p. 1070; Vol. 44 (1922) p. 546

[3] Mint a Nap bolygói esetében.

ChemoNet, 1997

Vissza

 http://www.kfki.hu/chemonet/

http://www.ch.bme.hu/chemonet/