TŐKÉS BÉLA CZÉGENI JÓZSEF
A z elemek periódusos rendszere és az atomelmélet
Az elemek periódusos rendszerének megalapozása elsősorban az orosz D . I. M e n g y e l e j e v é s a n é m e t L o t h a r M e y e r n e v é h e z f ű z ő d i k . E g y m á s r ó l n e m t u d v a j e l e n t k e z t e k 1 8 6 9 — 1 9 7 0 - b e n f e l f e d e z é s ü k k e l . A prioritási v i t á b a n a d ö n t é s t az a n g o l R o y a l S o c i e t y h o z t a m e g , a m i k o r m i n d k é t t u d ó s n a k o d a í t é l t e a D a v y - é r m e t a p e r i ó d u s o s r e n d s z e r m e g a l k o t á s á é r t . E r e n d s z e r l é n y e g é b e n teljesen a z o n o s M e n g y e l e j e v n é l és M e y e r n é l , m é g i s i n k á b b M e n g y e l e j e v n e k tulajdonítják, talán azért, m e r t a z o r o s z t u d ó s s o k k a l a l a p o s a b b a n , r é s z l e t e s e b b e n é s m e r é s z e b b e n fejtette ki ezt a n a g y j e l e n t ő s é g ű t e r m é s z e t t ö r v é n y t . Az
első
összefüggések
F e l f e d e z é s é r ő l b e s z é l v e M e n g y e l e j e v a k ö v e t k e z ő k e t írja: „ A m i k o r az a n y a g ról g o n d o l k o d o m , n e m t é r h e t e k ki két k é r d é s e l ő l : h á n y f é l e és m i l y e n a n y a g v a n , m i n e k f e l e l m e g a t ö m e g és a k é m i a i j e l l e g f o g a l m a ? A z a n y a g o k k a l f o g l a l k o z ó t u d o m á n y , azaz a k é m i a története, a k a r v a - a k a r a t l a n o d a v e z e t , h o g y e l kell i s m e r n i nemcsak a tömeg, az anyag örökkévalóságát, hanem a kémiai elemek örökkévaló ságát is. Ezért ö n k é n t e l e n ü l is f e l m e r ü l az a g o n d o l a t , h o g y az e l e m e k t ö m e g e és k é m i a i sajátossága k ö z ö t t feltétlenül kell v a l a m i l y e n k a p c s o l a t n a k l e n n i e , és m i n t h o g y az a n y a g t ö m e g e v é g e r e d m é n y b e n a t o m o k f o r m á j á b a n j e l e n i k m e g , tehát m e g k e l l keresni a z a l a p v e t ő ö s s z e f ü g g é s t az e l e m e k e g y é n i t u l a j d o n s á g a i és a t o m s ú l y u k k ö z ö t t . M á r p e d i g v a l a m i t k e r e s n i — l e g y e n az e g y g o m b a v a g y v a l a m i l y e n összefüggés — n e m lehet m á s k é p p , c s a k h a n é z ü n k és v i z s g á l ó d u n k . Én tehát e l k e z d t e m k ö z e l á l l ó a t o m s ú l y u k ó s h a s o n l ó t u l a j d o n s á g a i k a l a p j á n c s o p o r t o s í t a n i az e l e m e k e t , kis c é d u l á k r a í r v a a t o m s ú l y u k a t , l é n y e g e s tulajdonságaikat." A t o v á b b i a k b a n l e s z ö g e z i : ,,Bár s o k h o m á l y o s d o l o g b a n k é t e l k e d e m , e g y e t l e n p i l l a n a t i g s e m k é t e l k e d e m a l e v o n t k ö v e t k e z t e t é s általános é r v é n y e s s é g é b e n , m i n t h o g y v é l e t l e n t n e m l e h e t feltételezni." A p e r i ó d u s o s t ö r v é n y m e g a l k o t á s á t ó l eltelt é v e k alatt a t ö r v é n y j e l e n t ő s é g e á l l a n d ó a n nőtt, s a t o v á b b i t u d o m á n y o s f e j l ő d é s v e z é r f o n a l á v á v á l t a z a n y a g r a vonatkozó ismereteink elmélyítésében. A m i k o r m é l t a t j u k a p e r i ó d u s o s t ö r v é n y j e l e n t ő s é g é t mint a k é m i a története k i e m e l k e d ő e s e m é n y é t , feltétlenül m e g k e l l e m l í t e n ü n k d ö n t ő hatását a k é m i a f e j l ő d é s é r e . E h h e z szükséges a z o n b a n , h o g y r ö v i d e n áttekintsük e f e j l ő d é s fő k o r szakait. A k é m i a első k o r s z a k a , a m e l y e t alkimista s z a k a s z n a k n e v e z ü n k , előkészítette a vegytan alapvető törvényeinek felfedezését: a kémiai elemek átalakíthatatlanság á n a k t ö r v é n y é t a v e g y i f o l y a m a t o k b a n , a t ö m e g m e g m a r a d á s t ö r v é n y é t és az á l l a n d ó s ú l y v i s z o n y o k t ö r v é n y é t . E z e k f e l f e d e z é s e a X V I I I . s z á z a d v é g é n és a X I X . század e l e j é n a z első szakasz b e t e t ő z é s é t és a m á s o d i k szakasz k e z d e t é t jelenti. A m á s o d i k szakasz a z a l a p v e t ő e l m é l e t i n é z e t e k k i d o l g o z á s á h o z k a p c s o l ó d i k : e k k o r v á l i k a k é m i a t u d o m á n n y á . E szakaszt 1 8 6 9 , a p e r i ó d u s o s t ö r v é n y f e l f e d e z é s é n e k éve zárja le.
V é g i g k ö v e t v e a f e j l ő d é s t a X I X . század f o l y a m á n , n e m n e h é z m e g g y ő z ő d n i arról, h o g y a p e r i ó d u s o s t ö r v é n y f e l f e d e z é s e és k i d o l g o z á s a h a t a l m a s i m p u l z u s t jelentett a k é m i a f e j l ő d é s e és — ezzel s z o r o s k a p c s o l a t b a n — az új e l e m e k f e l f e d e zése s z e m p o n t j á b ó l . E n n e k m e g f e l e l ő e n teljesen m e g a l a p o z o t t n a k t e k i n t h e t ő az a nézet, m e l y szerint a p e r i ó d u s o s t ö r v é n y f e l f e d e z é s e határkő a k é m i a t ö r t é n e t é b e n , n e v e z e t e s e n a m á s o d i k szakasz v é g é t é s a h a r m a d i k , az ú g y n e v e z e t t modem szakasz kezdetét jelenti. A p e r i ó d u s o s t ö r v é n y j e l e n t ő s é g é t t a n u l m á n y o z v a a k é m i a f e j l ő dése s z e m p o n j t á b ó l , feltétlenül m e g kell v i z s g á l n u n k , h o g y a n hatott a z a n y a g ter m é s z e t é r e v o n a t k o z ó a l a p v e t ő s z e m l é l e t e k alakulására. M e n g y e l e j e v m e g h a t á r o z ó t é n y e z ő n e k tekinti az e l e m e k t u l a j d o n s á g a i n a k p e r i o d i k u s v á l t o z á s á t s o r s z á m u k f ü g g v é n y é b e n . H a az e l e m e k (atomfajták) o s z t h a t a t l a n s á g á n a k f e l f o g á s á b ó l i n d u l u n k ki, i l y e n t í p u s ú t ö r v é n y f e l f e d e z é s e l e h e t e t l e n ; létezése az a t o m o k b e l s ő s z e r k e z e t é r e utal. A z a t o m o k s z e r k e z e t é n e k e l i s m e r é s e k i s e b b ö s s z e t e v ő k l é t é n e k e l i s m e r é s é t jelenti — e z e k b ő l é p ü l n e k fel az a t o m o k — v a g y i s v é g s ő f o k o n az a t o m o k oszthatóságára és átalakíthatóságára m u t a t rá. Ily m ó d o n a p e r i ó d u s o s t ö r v é n y f e l f e d e z é s e előkészítette a fizikusokat és k é m i k u s o k a t az a t o m o k s z e r k e z e t é n e k f e l f e d e z é s é r e . Ezt m a g a M e n g y e l e j e v is e l ő r e látta, a m i k o r s z á m o s m u n k á j á b a n kifejtette az a t o m o k o s z t h a t ó s á g á n a k g o n d o l a t á t , és m e g j ó s o l t e g y e g é s z sor j e l e n s é g e t , m e l y e t k é s ő b b f e d e z t e k fel a m a g e n e r g i a gyakorlati hasznosításának problémájával kapcsolatban. A p e r i ó d u s o s t ö r v é n y f e l f e d e z é s e n a g y s z e r e p e t játszott a k é m i a materialista s z e m l é l e t é n e k k i d o l g o z á s á b a n és a dialektikus m a t e r i a l i z m u s a l a p v e t ő t ö r v é n y e i n e k f e l i s m e r é s é b e n a k é m i a területén. A periódusos
törvény
utat
mutat
A p e r i ó d u s o s t ö r v é n y a f i z i k á b a n és a k é m i á b a n utat mutatott az a t o m j e l e n s é g e k m o d e r n kutatása felé. A p e r i ó d u s o s t ö r v é n y óriási j e l e n t ő s é g e a k é m i á b a n és a fizi k á b a n m á r a X I X . és a X X . század h a t á r á n n y i l v á n v a l ó v á v á l t . E l m é l e t i m e g a l a p o z á s a a z o n b a n n e m v o l t m e g v a l ó s í t h a t ó m i n d a d d i g , a m í g az a t o m o k a t az a n y a g l e g k i s e b b , oszthatatlan e g y s é g e i n e k tekintették, sőt m a g á t az a t o m o k létezését is kétségbe v o n t á k . A z e l e k t r o n f e l f e d e z é s e a X I X . század v é g é n , v a l a m i n t a l a p v e t ő t u l a j d o n s á g a i n a k m e g h a t á r o z á s a b e b i z o n y í t o t t a , h o g y az e l e k t r o n a z a n y a g e g y e t e m e s é p í t ő k ö v e . A z a t o m e l m é l e t és a p e r i ó d u s o s r e n d s z e r e l m é l e t é n e k ö s s z e h a n g o l á s a e l s ő s o r b a n J. J. T h o m s o n n e v é h e z f ű z ő d i k , m i v e l ő kutatta e l s ő n e k a s z a b a d e l e k t r o n l e g f o n tosabb t u l a j d o n s á g a i t (1904—1907). T h o m s o n n a g y é r d e m e az a f e l i s m e r é s , h o g y a z a t o m e l m é l e t e elszakíthatatlan a p e r i ó d u s o s r e n d s z e r e l m é l e t é t ő l . T h o m s o n m e g kísérelte é r t e l m e z n i azt a k a p c s o l a t o t , a m e l y az a t o m o k k é m i a i tulajdonságai és színképe között van. Habár eredményei n e m voltak kielégítők, mégis említésre m é l t ó az a k ö v e t k e z t e t é s e , m e l y s z e r i n t az a t o m b a n léteznie kell n é h á n y j ó l m e g határozott p á l y á n a k , a m e l y e k e n az e l e k t r o n o k m o z o g n a k . 1911-ben E. R u t h e r f o r d , T h o m s o n t a n í t v á n y a , e l h a t á r o z t a : kísérletileg m e g v i z s g á l j a , h o g y a p o z i t í v töltés v a l ó b a n kitölti-e a z a t o m e g é s z térfogatát. E n n e k a k é r d é s n e k a m e g o l d á s á r a m u n katársai, H. G e i g e r és E. M a r s d e n t a n u l m á n y o z t á k az a l f a - r é s z e c s k é k s z ó r ó d á s á t f é m l e m e z e n . E r e d m é n y e i k m e g l e p ő k v o l t a k . G e i g e r és M a r s d e n b e b i z o n y í t o t t a , h o g y a p o z i t í v töltésű a l f a - r é s z e c s k é k ( h é l i u m a t o m m a g o k ) e r ő s e n s z ó r ó d n a k , sőt v i s s z a v e r ő d n e k . A m i k o r e r r ő l b e s z á m o l t a k R u t h e r f o r d n a k , aki teljes m é r t é k b e n T h o m s o n nézeteit vallotta, a tudós felkiáltott: „ E z lehetetlen!" A hír a z o n b a n i g a z n a k b i z o n y u l t ; az a d a t o k a l a p j á n R u t h e r f o r d feltételezte, h o g y az a t o m e g y o l y a n r e n d -
12
szer, m e l y n e k k ö z é p p o n t j á b a n 10— c m n a g y s á g r e n d ű p o z i t í v töltésű m a g található. A z a t o m teljes t ö m e g e g y a k o r l a t i l a g a m a g b a n ö s s z p o n t o s u l , az e l e k t r o n o k s z á m a a mag pozitív töltéseinek számával egyenlő. 1913-ban H.G.I. M o s e l e y , R u t h e r f o r d t a n í t v á n y a új m ó d s z e r t vezetett b e a m a g t ö l t é s é n e k m e g h a t á r o z á s á r a . Ez a m ó d s z e r , a m e l y a r ö n t g e n - s z í n k é p e k K - v o n a l a i n a k t a n u l m á n y o z á s á n alapult, összehasonlíthatatlanul pontosabb volt, mint Rutherford módszere. A R u t h e r f o r d l a b o r a t ó r i u m á b a n elért e r e d m é n y e k a l a p j á n 1913-ban V a n d e r B r o e c k l e v o n h a t t a azt a következtetést, h o g y a mag töltése egyenlő az illető elem helyszámával a periódusos rendszerben. Ily m ó d o n b e b i z o n y o s o d o t t , h o g y M e n g y e l e j e v , b á r — é r t h e t ő o k o k b ó l — téves r e n d s z e r e z é s i e l v b ő l i n d u l t ki ( a m e l y az a t o m s ú l y r a a l a p o z o t t ) , m é g i s a m o d e r n k é m i a és fizika a l a p v e t ő t ö r v é n y é t f e d e z t e f e l : a periódusos törvényt. A p e r i ó d u s o s t ö r v é n y a l a p j á n M e n g y e l e j e v n e m c s a k m e g j ó s o l t a e g y e s , m é g fel n e m fedezett e l e m e k létezését, h a n e m e g y i k 1871. é v i t a n u l m á n y á b a n p o n t o s a n l e is irta ezek, v a l a m i n t f o n t o s a b b v e g y ü l e t e i k fizikai és k é m i a i tulajdonságait. Így p é l d á u l a M e n g y e l e j e v által e k a - s z i l í c i u m n a k ( s z i l í c i u m utáni) n e v e z e t t e l e m n e k és n é h á n y v e g y ü l e t é n e k f o n t o s a b b t u l a j d o n s á g a i m e g l e p ő e n e g y e z n e k a z L. W i n k l e r f e l f e d e z t e e l e m n e k , a g e r m á n i u m n a k é s v e g y ü l e t e i n e k t u l a j d o n s á g a i v a l . Íme, h o g y a n ír e r r ő l 1886-ban m a g a W i n k l e r , a z e l v é g z e t t v i z s g á l a t o k a t i s m e r t e t ő k ö z l e m é n y é b e n : „ N e m férhet kétség a h h o z , h o g y az ú j o n n a n f e l f e d e z e t t e l e m n e m más, m i n t a M e n g y e l e j e v által 15 é v v e l e z e l ő t t m e g j ó s o l t e k a - s z i l í c i u m . " A l i g h a lehetne a p e r i ó d u s o s t ö r v é n y , h e l y e s s é g é n e k r a g y o g ó b b b i z o n y í t é k a , m i n t a h i p o tetikus e k a - s z i l í c i u m n a k az ú j o n n a n f e l f e d e z e t t e l e m b e n v a l ó f e l i s m e r é s e . J o g g a l m o n d j a E n g e l s : „ M e n g y e l e j e v o l y a n t u d o m á n y o s tettet vitt v é g h e z , m e l y bátran állítható e g y s o r b a L e v e r r i e r f e l f e d e z é s é v e l , aki k i s z á m í t o t t a az a k k o r m é g i s m e r e t l e n N e p t u n u s b o l y g ó pályáját." A periódusos törvény iránytűnek s z á m á r a is
b i z o n y u l t az e l m é l e t i és kísérleti
atomfizika
Niels B o h r , a C a m b r i d g e - b e n d o l g o z ó fia tal d á n fizikus, 1912-ben egyesítette a r u t h e r fordi atommodellt a X X . század küszö bén m e g j e l e n ő k v a n t u m e l m é l e t t e l , és lefektette a m o d e r n a t o m e l m é l e t alapjait. A z a g o n d o l a t , m e l y szerint az e l e k t r o n o k a m a g k ö r ü l j ó l m e g határozott, i d ő b e n n e m v á l t o z ó (stacionárius) p á lyákon keringenek, Bohr elméletében alapvető s z e r e p h e z jut. B o h r e l m é l e t é n e k általános m a t e matikai m e g f o g a l m a z á s a C. T. R. W i l s o n és A . S o m m e r f e l d n e v é h e z f ű z ő d i k (1915—1916). J. J. T h o m s o n e l m é l e t é h e z v i s z o n y í t v a B o h r e l A hidrogénatom Bohr-féle m é l e t é b e n újat j e l e n t a z a g o n d o l a t , h o g y az atommodellje e l e k t r o n stacionárius p á l y á n v a l ó m o z g á s a k ö z b e n n e m s u g á r o z ki energiát. E n e r g i a - k i s u g á r z á s a k k o r m e g y v é g b e , ha a z elektron a z e g y i k stacionárius p á l y á r ó l e g y m á s i k r a u g r i k át. B o h r m e g k í s é r e l t e kiterjeszteni e l m é l e t é t b o n y o l u l t összetételű a t o m o k r a a p e r i ó d u s o s t ö r v é n y és az A . K o s s e l f e l tételezte, ú g y n e v e z e t t „ e l e k t r o n - o k t e t t " - e l v alapján. A z oktett-elv szerint az a t o m o k n a k a k k o r a l e g á l l a n d ó b b az e l e k t r o n s z e r k e z e t e , a m i k o r a külső e l e k t r o n h é j u kon n y o l c e l e k t r o n t t a r t a l m a z n a k . E n n e k k ö v e t k e z t é b e n a z összes k é m i a i á t a l a k u l á s o k ú g y m e n n e k v é g b e , h o g y i l y e n e l e k t r o n s z e r k e z e t a l a k u l h a s s o n ki. B o h r n a k e z
az első kísérlete a z o n b a n n e m vezetett sikerhez. M é g n e m létezett e g y o l y a n általá n o s e l v , a m e l y l e h e t ő v é tette v o l n a az e l e k t r o n o k e l r e n d e z ő d é s é n e k leírását a k ü l ö n böző pályákon. Bohr atomelmélete elsősorban a színkép-elemzésre támaszkodó ( s p e k t r o s z k o p i k u s ) e l m é l e t v o l t . Ez fő e r ő s s é g e és e g y b e n g y e n g é j e is. E r ő s s é g e a b b a n a z é r t e l e m b e n , h o g y a s p e k t r o s z k ó p i a m i n t pontos kísérleti m ó d s z e r g a z d a g a n y a g o t szolgáltatott a fizikus számára. Ily m ó d o n az e l m é l e t i következtetések m i n d i g e l l e n ő r i z h e t ő k v o l t a k , másrészt a kísérleti a n y a g az e l m é l e t s z á m á r a á l l a n d ó a n új k é r d é s e k e t vetett fel. A z e l m é l e t sikerei a z o n b a n e l f e d t é k g y e n g e oldalait, Bohr elmélete n e m volt képes a legegyszerűbb kémiai probléma, a hidrogén m o l e k u l a k é p z ő d é s é n e k m a g y a r á z a t á r a s e m . E l l e n t m o n d á s b a k e r ü l t e g y sor s p e k t r o s z k ó p i á s adattal is. M i n d e z e k az a t o m új m e c h a n i k á j á n a k a m e g j e l e n é s é h e z v e z e t tek, a m e l y kvantummechanika n é v e n v á l t ismeretessé. A k v a n t u m m e c h a n i k a alap jait H e i s e n b e r g , B o r n és J o r d a n fektették le. A z e l m é l e t k i d o l g o z á s a m á s r é s z t S c h r ö d i n g e r n e v é h e z f ű z ő d i k . A két e l m é l e t e g y e n é r t é k ű s é g é t ő b i z o n y í t o t t a b e . M i n d a Bohrtól továbbfejlesztett elmélet, mind a kvantummechanika p o n t o s a b b , D i r a c - f é l e változata azt mutatja, h o g y a z e l e k t r o n á l l a p o t á n a k (térbeli e l o s z l á s á n a k és e n e r g i a s z i n t j e i n e k ) j e l l e m z é s é r e n é g y adat, ú g y n e v e z e t t „ k v a n t u m s z á m " szükséges. 1924-ben S t o n e r és m u n k a t á r s a i új e l v e t f o g a l m a z t a k m e g , eszerint az a t o m b a n az e l e k t r o n o k ú g y r e n d e z ő d n e k el, h o g y n e l e g y e n két e l e k t r o n n á l t ö b b , e z e k a z o n o s f ő - , m e l l é k - és m á g n e s e s - (n, l, m) k v a n t u m s z á m o k k a l j e l l e m e z h e t ő k . A n e g y e d i k k v a n t u m s z á m (s, a s p i n - k v a n t u m s z á m ) a k k o r m é g n e m v o l t i s m e r e t e s Érdekes, h o g y e n n e k a z e l v n e k a m e g f o g a l m a z á s a k o r a k u t a t ó k tisztán k é m i a i s z e m p o n t o k b ó l i n d u l t a k ki, a p e r i ó d u s o s t ö r v é n y r e t á m a s z k o d v a .
d • elosztás Az
elektronfelhők
eloszlásának
valószínűsége
a kvantumszámok
függvényében
1925-ben b e v e z e t t é k a n e g y e d i k k v a n t u m s z á m o t , a m e l y a m á g n e s e s m o m e n t u m irányát, azaz — a h o g y eleinte feltételezték — a z e l e k t r o n saját p e r d ü l e t é t j e l l e m z i . Ez l e h e t ő v é tette, h o g y P a u l i a S t o n e r - e l v p o n t o s a b b m e g h a t á r o z á s á t adja. Ez a
m e g h a t á r o z á s , a m e l y P a u l i - e l v n é v e n ismeretes, a k ö v e t k e z ő : „ A z a t o m b a n létezhet két o l y a n e l e k t r o n , a m e l y n e k m i n d a n é g y k v a n t u m s z á m a a z o n o s . " A z egyik fontos következtetés, amely a Pauli-elvből a t o m b a n létező, k ü l ö n b ö z ő k v a n t u m s z á m o k k a l j e l l e m z e t t m í t h a t ó . M a g a a Pauli-elv m é g semmilyen útmutatást s e m n o k m i l y e n m ó d o n r e n d e z ő d n e k el az a t o m m a g t ö l t é s é n e k elv c s a k k o r l á t o z z a az e l e k t r o n o k lehetséges á l l a p o t a i n a k mokban.
nem
v e z e h e t ő le, az, h o g y az elektronok száma kiszá ad arra, h o g y az e l e k t r o növekedésével. A Pauliszámát a b o n y o l u l t a t o
A p e r i ó d u s o s t ö r v é n y s e m m i k é p p e n s e m helyettesíthető a P a u l i - e l v v e l , i l l e t v e n e m v e z e h e t ő l e b e l ő l e b i z o n y o s kiegészítő f e l t e v é s e k n é l k ü l . A P a u l i - e l v a z o n b a n levezethető, m i n t a h o g y v a l ó b a n le is v e z e t t é k a p e r i ó d u s o s t ö r v é n y b ő l . Így tehát m i n d a z o k a kísérletek, m e l y e k a p e r i ó d u s o s t ö r v é n y n e k a P a u l i - e l v e g y s z e r ű k ö v e t k e z m é n y e k é n t v a l ó b e á l l í t á s á r a i r á n y u l t a k , m a g á n a k a P a u l i - e l v n e k és a p e r i o d u s o s t ö r v é n y n e k a m e g n e m é r t é s é b ő l fakadtak. A P a u l i - e l v szükséges a m o d e r n p e r i ó d u s o s r e n d s z e r f e l é p í t é s é h e z , d e a z e l e k t r o n h é j a k m i n i m á l i s e n e r g i á j á n a k e l v e , másrészt a P a u l i - e l v a l a p j á n . H a m e g v i z s g á l j u k a p e r i ó d u s o s r e n d s z e r felépítése és az e l e k t r o n o k a t o m o n b e l ü l i e l o s z l á s á n a k kapcsolatát, m e g á l l a p í t h a t j u k , hogy a káliumig minden elem ideális. I d e á l i s n a k n e v e z z ü k az o l y a n e l e m e t , m e l y n e k a t o m j a i b a n az e l e k t r o n o k b e t ö l t ö t t é k a z összes l e g k i s e b b fő é s m e l l é k k v a n t u m s z á m m a l j e l l e m e z h e t ő h e l y e k e t . M a g a a k á l i u m n e m i d e á l i s e l e m , m i v e l a z n-3 h é j á n v a n n a k b e n e m töltött helyei. A r é z és k r i p t o n k ö z é eső e l e m e k u g y a n c s a k ideálisak. H a az e l e k t r o n o k a m a g k ö r ü l a f e l t ö l t ő d é s s o r r e n d j é b e n koncentrálódnának, a P a u l i - e l v n e k m e g f e l e l ő e n , a k k o r a z összes e l e m e k i d e á l i s a k v o l n á n a k . A f o k o z a tos f e l t ö l t ő d é s e l v é n e k első m e g s é r t é s e a 19-es r e n d s z á m ú e l e m n é l , a k á l i u m n á l k e z d ő d i k , é s a 28-as r e n d s z á m ú e l e m m e l , a n i k k e l l e l zárul. A 29-es r e n d s z á m ú e l e m t ő l , a réztől, a 36-os r e n d s z á m ú k r i p t o n i g a f o k o z a t o s f e l t ö l t ő d é s e l v e teljesül, a r u b i d i u m t ó l k e z d ő d ő e n a z említett e l v é r v é n y é t veszti a p e r i ó d u s o s r e n d s z e r v é g é i g . A kísérletező és e l m é l e t i k é m i k u s o k n a g y f i g y e l m e t s z e n t e l t e k a V I . p e r i ó d u s e l e m e i n e k , n e v e z e t e s e n a l a n t a n i d á k n a k , a m i azzal m a g y a r á z h a t ó , h o g y e z e k fizikai és kémiai tulajdonságai nagyon hasonlóak. A p e r i ó d u s o s r e n d s z e r e l m é l e t e m é g s o k f o n t o s k é r d é s r e v á r választ, m i n d e n e k e l ő t t arra, h o g y a k ö l s ő e l e k t r o n h é j m i é r t n e m t a r t a l m a z n y o l c e l e k t r o n n á l t ö b bet. Ugyancsak érdekes az a kérdés, a m e l y a belső elektronhéjak feltöltődésére v o n a t k o z i k , s a m e l y a IV., V . , V I . és V I I . p e r i ó d u s b a n f i g y e l h e t ő m e g . J e l e n l e g , ha m e n n y i s é g i l e g n e m is, d e m i n ő s é g i l e g e z e k a k é r d é s e k m á r megválaszolhatók. A m i k o r a b o n y o l u l t a t o m o k e l m é l e t é n e k n e h é z s é g e i v i l á g o s s á váltak, új k ö z e l í t ő m ó d s z e r t d o l g o z t a k ki e r e n d s z e r e k e g z a k t m a t e m a t i k a i tárgyalására. A Fermi-statisztika alapján kimutatták, h o g y a m a g körül eloszló elektronok elektrongáznak t e k i n t h e t ő k ; tartózkodási h e l y ü k az a t o m m a g e l e k t r o m o s tere. F e r m i é s m u n k a t á r sai a z e l e k t r o n o k a t o m o n b e l ü l i eloszlását kiszámították m i n d a B o h r - e l m é l e t , m i n d a Schrödinger-féle kvantummechanika alapján. Fermi módszerét G o e p p e r t - M a y e r alkalmazta a ritka f ö l d f é m e k elméleti tár g y a l á s á r a . F e l h a s z n á l v a a F e r m i - m ó d s z e r r e l k i s z á m í t o t t elméleti a d a t o k a t , G o e p p e r t M a y e r kimutatta, h o g y az f m e l l é k - k v a n t u m s z á m ú e l e k t r o n o k e n e r g i á j a a n e o d i m tól k e z d ő d ő e n r o h a m o s a n c s ö k k e n . A lantán e s e t é b e n a 4f e l e k t r o n o k kötési e n e r g i á j a m á r alig k ü l ö n b ö z i k a h i d r o g é n a t o m m e g f e l e l ő e l e k t r o n j á n a k energiájától. E n n e k k ö v e t k e z t é b e n a 4f e l e k t r o n p á l y á k , a m e l y e k a n e o d i m i g m a g a s e n e r g i á j u k miatt b e t ö l t e t l e n e k m a r a d t a k , m o s t e l k e z d e n e k f e l t ö l t ő d n i .
Érdekes, hogy G o e p p e r t - M a y e r ugyanabban a munkájában bebizonyította, hogy az e l e k t r o n o k kötési e n e r g i á j á n a k h a s o n l ó c s ö k k e n é s e k ö v e t k e z i k b e az 5f p á l y á k o n a p r o t a k t i n í u m t ó l k e z d ő d ő e n . V á r h a t ó v o l t tehát, h o g y a p e r i ó d u s o s r e n d s z e r tar t a l m a z z o n m é g e g y r i t k a - f ö l d f é m c s o p o r t o t . Ezt a m e g f i g y e l é s t G o e p p e r t - M a y e r 1941-ben tette k ö z z é , a m i k o r az összes t r a n s z u r á n o k k ö z ü l c s a k a n e p t u n i u m o t i s merték. M a m á r ismeretes, h o g y a r i t k a - f ö l d f é m e k n e k v a l ó b a n l é t e z i k e g y m á s i k c s o p o r t j a , m e l y n e k első e l e m e a t ó r i u m . Látható tehát, h o g y a p e r i ó d u s o s r e n d s z e r e l m é l e t e b á r m é g t á v o l r ó l s e m t e l j e s e n k i d o l g o z o t t , s z á m o s új é r d e k e s k é r d é s t vett fel az a t o m e l m é l e t számára. A z a t o m o k t u l a j d o n s á g a i t l e í r ó összes kísérleti a d a t a i n k a r á n y l a g kis n y o m á s r a és a l a c s o n y h ő m é r s é k l e t r e v o n a t k o z n a k . A F ö l d k ö z é p p o n t j á b a n é s f ő l e g a n a g y b o l y g ó k és c s i l l a g o k b e l s e j é b e n óriási n y o m á s o k u r a l k o d n a k ; f e l v e t ő d i k a k é r d é s : n e m k ö v e t k e z i k - e b e az e l e k t r o n h é j a k á t r e n d e z ő d é s e i l y e n k ö r ü l m é n y e k k ö z ö t t ? A n y o m á s n ö v e k e d é s e m a g a után v o n j a az a t o m o k n a g y f o k ú k ö z e l e d é s é t , m i n e k k ö v e t k e z t é b e n m e g n ő n e k az e l e k t r o n f e l h ő k közti taszító e r ő k . E z e k n ö v e k e d é s e f i z i kailag e g y e n é r t é k ű az a t o m m a g e r ő t e r é n e k n ö v e k e d é s é v e l , k ö v e t k e z é s k é p p e n a n y o m á s n ö v e k e d é s e u g y a n o l y a n i r á n y b a n hat, m i n t a m a g t ö l t é s n ö v e k e d é s e . E z v i s z o n t az e l e k t r o n o k á t r e n d e z ő d é s é h e z és az e d d i g ü r e s e n m a r a d t e l e k t r o n p á l y á k b e t ö l t é s é h e z vezet. Feltételezhető ezért, h o g y a n e g y e d i k héj kialakulása, m e l y k ö z ö n s é g e s k ö r ü l m é n y e k k ö z ö t t a k á l i u m n á l k e z d ő d i k , meglassul, a k á l i u m m e g k e z d i e g y t í z e l e k t r o n o s a l h é j betöltését. E n n e k k ö v e t k e z t é b e n az e l e m e k t u l a j d o n s á g a i a k á l i u m tól a n i k k e l i g élesen v á l t o z n a k . H a s o n l ó v á l t o z á s o k m e h e t n e k v é g b e az e l e k t r o n o k e l o s z l á s á b a n a n e h e z e b b e l e m e k b e n is. E z e k a v á l t o z á s o k m a g u k után v o n j á k a m a x i m á l i s v e g y é r t é k m e g f e l e l ő e l t o l ó d á s á t is. E k é r d é s e k a z a t o m m o d e r n k u t a tásában e g y r e n a g y o b b s z e r e p h e z j u t n a k . A periodicitás
az atommagra
is
vonatkozik
K i d o l g o z t á k az a t o m m a g o k p e r i ó d u s o s r e n d s z e r é t is. E z o l y a n kutatási a d a t o kon alapul, a m e l y e k az a t o m m a g e g y e s t u l a j d o n s á g a i n a k p e r i ó d i k u s i s m é t l ő d é s é t tükrözik. A z a t o m o k e l e k t r o n j a i s z a b a d o n s z á g u l d a n a k a térben, o l y a n t á v o l s á g r a e g y m á s t ó l , m e l y t ö b b ezerszerese á t m é r ő j ü k n e k . A z a t o m m a g o t a l k o t ó p r o t o n o k és n e u t r o n o k ( k ö z ö s n é v e n : n u k l e o n o k ) v i s z o n t n a g y o n „ z s ú f o l t a n " h e l y e z k e d n e k el. A p e r i ó d u s o s r e n d s z e r e n v é g i g h a l a d v a az a t o m o k térfogata m e g k ö z e l í t ő e n v á l t o z a t l a n marad, habár egyre t ö b b elektron zsú f o l ó d i k össze a m a g k ö r ü l . A m é r é s e k v i s z o n t azt mutatják, h o g y az a t o m m a g térfogata a t ö m e g é v e l a r á n y o s , s ű r ű s é g e p e d i g v á l t o z a t l a n . E z a sűrűség a víz sűrűségének száz-billiószorosa. Egy ilyen hipotetikus „ a t o m m a g - f o l y a d é k k a l " m e g t ö l t ö t t p o h á r súlya t í z m i l l i á r d t o n n a v o l n a . A p r o t o n o k és n e u t ronok a mag belsejében ugyanolyan kvantummechanikai törvényeknek van nak alávetve, mint az elektronok az a t o m b a n . E m i a t t n é m i eltérést v á r h a tunk e leegyszerűsített képtől. Ha az e g y n u k l e o n r a j u t ó kötési e n e r g i á t vizsgáljuk, a legkönnyebb magoktól Az
atommag
kezdve
a
l e g n e h e z e b b e k i g , azt
tapasz-
taljuk, h o g y a kötési e n e r g i a e l ő b b s z a b á l y o s a n c s ö k k e n , m a j d lassan n ö v e k s z i k . M e g f i g y e l h e t j ü k azt is, h o g y az i l y m ó d o n k a p o t t g ö r b e n e m teljesen sima, t ö b b kiugrás v a n rajta, a m e l y a n u k l e o n o k közötti k ü l ö n ö s e n erős kötésre vall. E z e k a m a g o n b e l ü l lezárt n u k l e o n h é j a k n a k f e l e l n e k m e g , s a z a t o m o k lezárt e l e k t r o n h é j a i nak analógjai. A z a t o m o k e s e t é b e n a lezárt e l e k t r o n h é j ú e l e m e k k é m i a i l a g a r á n y l a g n a g y f o k ú á l l a n d ó s á g o t m u t a t n a k ( n e m e s g á z a k ) . H a s o n l ó a h e l y z e t a m a g o k e s e t é b e n is. H a a m a g b a n b i z o n y o s s z á m ú n e u t r o n v a n (50, 82, 126), e g y ú j a b b n e u t r o n b e f o g a d á s á n a k v a l ó s z í n ű s é g e hirtelen c s ö k k e n . Ez a t ö r v é n y s z e r ű s é g é r v é n y e s a p r o t o n o k e s e t é b e n is (2, 8, 14, 20, 28, 50, 82). E z e k a s z á m o k stabil h é j s z e r k e z e t n e k f e l e l n e k meg. A m a g n e u t r o n - és p r o t o n - h é j a i k ö l c s ö n ö s e n e g y m á s b a h a t o l n a k , és m i n d e g y i k a m a g teljes térfogatát f o g l a l j a el. A m a g b e l i s, p , d, f, g, h, i a l h é j a k betöltési s z á m a i n a k p e r i o d i k u s e g y m á s u t á n i s á g a a m a g p e r i ó d u s o s r e n d s z e r é n e k fő t a r t a l m a , periódusos törvénye. A p r o t o n - és n e u t r o n - h é j a k térbeli e g y m á s b a h a t o l á s a a n u k l e o n - h é j a k t a n u l m á n y o z á s á t m e g n e h e z í t i . Ezt a n e h é z s é g e t a z o n b a n két kutató, G o e p p e r t - M a y e r C h i c a g ó b a n é s J e n s e n H e i d e l b e r g b e n e g y i d e j ű l e g és e g y m á s t ó l f ü g g e t l e n ü l l e g y ő z t e . A m a g h é j a k o l y a n teljes r e n d s z e r é t d o l g o z t á k ki, a m e l y tökéletes ö s s z h a n g b a n v a n a kísérleti a d a t o k k a l . V i z s g á l t á k , m e d d i g terjed a p e r i ó d u s o s r e n d s z e r . A n g o l k u t a t ó k szerint a l e h e t séges l e g n a g y o b b r e n d s z á m ú e l e m a m é g f e l f e d e z e t l e n 168-as r e n d s z á m ú n e m e s g á z lesz. A 118—168 k ö z é eső i g e n n e h é z a t o m o k e l ő á l l í t á s a n a g y f o k ú i n s t a b i l i t á s u k miatt — az említett k u t a t ó k szerint — lehetetlen.
Szubnukleáris
periodicitás?
A m i a m á s i k végletet, az ú g y n e v e z e t t „ s z u b a t o m i k u s " szintet illeti, a s z á z n á l t ö b b e l e m i r é s z e c s k e o s z t á l y o z á s a t e r é n elért e r e d m é n y e k k ö z ü l j e l e n p i l l a n a t b a n a „ k v a r k o k " á l l n a k az é r d e k l ő d é s k ö z é p p o n t j á b a n . H o g y a fizikus s z á m á r a mit f o g a kvark j e l e n t e n i , e z t c s a k a j ö v ő dönti el. Lehet, h o g y v a l a m i k o r a z U n i v e r zum „architektúrájában" o l y a n részleteket f o g j e l ö l n i , m i n t a molekula vagy az atom, a X V I I I — X I X . század „ v é g s ő " é p í t ő k ö v e i . A z is lehet, h o g y a d i v a t b ó l k i m e n t g o n d o l a t m a r a d v á n y o k k ö z é f o g b e s o r a k o z n i , a „ b ö l c s e k k ö v e " és az „ é t e r " m e l l é . V a g y talán e g y „ s z u b n u k l e á r i s " p e r i ó d u s o s r e n d s z e r k i i n d u l á s i p o n t j a l e s z ? Túlzás nélkül mondhatjuk h o g y a m o d e r n kémiatudomány a maga teljességé b e n a p e r i ó d u s o s t ö r v é n y e n n y u g s z i k ; ez a t ö r v é n y f ő p r ó b a k ö v e a z a n y a g s z e r k e zetére v o n a t k o z ó m i n d e n új e l k é p z e l é s h e l y e s s é g é n e k . A p e r i ó d u s o s r e n d s z e r s z e r e p e n e m k o r l á t o z ó d i k a z o n b a n a fizika és k é m i a területére. J e l e n t ő s hatása v o l t és v a n o l y a n t u d o m á n y o k f e j l ő d é s é r e , m i n t a g e o l ó g i a , g e o k é m i a , a k o z m o s z fizikai k é m i á j a . A p e r i ó d u s o s t ö r v é n y e g y i k e a z o k n a k az á l t a l á n o s é r v é n y ű t e r m é s z e t t ö r v é n y e k n e k , m e l y e k a t u d o m á n y f e j l ő d é s é v e l á l l a n d ó a n g a z d a g o d n a k , és u g y a n a k k o r elősegítik a n n a k t o v á b b i f e j l ő d é s é t .
