Періодичний закон
У 1869 р. видатний російський учений Д. І. Менделєєв, ґрунтуючись на глибокому вивченні та систематизації властивостей відомих на той час 64 хімічних елементів, установив, що всі елементи природи не є незалежною один від одного сукупністю, а між ними існують глибокі взаємозв’язки.
Д. І. Менделєєв розмістив, хімічні елементи в порядку зростання їхніх атомних мас і виявив періодичність повторення їхніх властивостей. На основі цього він сформулював закон періодичності:
Властивості простих тіл, а також форми і властивості сполук елементів перебувають у періодичній залежності від величини атомних ваг елементів.
Виходячи з періодичного закону, він запропонував періодичну класифікацію елементів у вигляді періодичної системи. Можна тільки захоплюватись тим, що фундаментальна закономірність для всіх елементів природи була встановлена лише на основі зіставляння відносних атомних мас та хімічних властивостей практично половини відомих нині елементів та задовго до створення сучасної теорії будови атомів.
Д. І. Менделєєв зумів розпізнати у відкритому ним законі фундаментальний закон природи і відразу ж застосував його для передбачення властивостей ще не відкритих елементів та для виправлення неправильних атомних мас деяких елементів.
Глибину хімічних знань Д. І. Менделєєва та точність його передбачень ілюструє зіставляння властивостей екасиліцію (тобто елемента, розміщеного в групі після силіцію), та елемента, який згодом був відкритий і названий германієм.
Запропонована Д. І. Менделєєвим періодична система в процесі відкриття нових елементів змінювалась, у ній з’явилась група інертних газів, але суть її побудови залишилась незмінною.
Д. І. Менделєєв, як і інші вчені того часу, не зміг пояснити справжньої причини установленої періодичності повторення властивостей елементів та форм, і властивостей їхніх сполук. Крім того, у процесі побудови таблиці вчений сам порушив принцип розміщення елементів за зростанням їхніх атомних мас. Наприклад, під час розміщення кобальту і нікелю, телуру і йоду він віддав перевагу характеру зміни хімічних властивостей.
Поступово ставало зрозумілим, що причину періодичності треба шукати в глибинах будови атомів.
Дослідження г. Мозлі та сучасне формулювання періодичного закону
У 1913 р. англійський учений Г. Мозлі під час дослідження рентгенівського випромінювання простих речовин виявив, що частота цих променів більшою мірою пов’язана з порядковими номерами елементів, ніж з їхніми відносними атомними масами.
Рентгенівське випромінювання виникає тоді, коли хімічний елемент у вигляді простої твердої речовини бомбардується пучком електронів з високою енергією.
Цей електронний потік вибиває і несе за собою електрони з внутрішніх оболонок багатоелектронних атомів. На звільнені місця (вакансії) відразу переміщуються електрони з вищих енергетичних рівнів, випромінюючи енергію у вигляді рентгенівських променів. Це випромінювання залежить від природи елемента, його називають характеристичним (рис. 3).
Як і будь-яке випромінювання, рентгенівське утворює спектр, подібний до спектра атомарного водню. Рентгенівський спектр також є лінійчастим. Він складається із спектральних серій, а кожна серія – з невеликого числа спектральних ліній. Серії ліній рентгенівського спектра позначають літерами К, L, М і т. д., тобто так само, як і електронні шари атомів. Окремі лінії у серіях позначають літерами α, β, γ і т. д. у порядку зменшення їх інтенсивності.
Рис. 3 Схема утворення рентгенівського випромінювання з енергією квантів Е1, Е2, Е3 …
Коли електрони переходять з вищих енергетичних рівнів на вакансію атомного рівня К, то виникає К-серія рентгенівського спектра. Вона складається з окремих ліній Кα, Кβ, Кγ та ін.
У разі переходу електронів на L-оболонку атома виникає L-ceрія (Lα, Lβ і т. д.). Лінійчасті спектри називають характеристичними рентгенівськими спектрами. У міру збільшення порядкового номера елемента рентгенівський спектр ускладнюється, і в ньому з’являється більше ліній. Так, якщо рентгенівські спектри легких елементів містять лише К- або К- і L-cepiї, то у важчих послідовно з’являються М-, N-, О- і P-серії, а в перших серіях спостерігається більше ліній.
У спектрах кожного з досліджених елементів К-серія розміщується в спектральній ділянці з коротшими довжинами хвиль (у більш високочастотній ділянці спектра), ніж L-серія; у свою чергу, L- серія більш короткохвильова, ніж М-серія, і т. д.
У 1913 р. Г. Мозлі опублікував результати власних досліджень 39 елементів: від Аl до Аu. Він установив, що довжина хвилі рентгенівського випромінювання залежить від порядкового номера елемента і довжини хвиль характеристичних К-променів (наприклад, Кα) рівномірно зменшуються в міру збільшення порядкового номера елемента.
Цій формулі відповідає закон Мозлі:
Корені квадратні із обернених значень довжин хвиль характеристичного рентгенівського випромінювання перебувають у лінійній залежності від порядкових номерів елементів.
Коли електрони повертаються з більш віддалених на один і той самий енергетичний рівень, то довжина хвилі відповідної спектральної лінії має залежати тільки від заряду ядра, оскільки відстань від ядра до відповідного енергетичного рівня змінюється дуже мало.
Згідно з цим більшому заряду ядра має відповідати більша енергія випромінюваного кванта або менша довжина хвилі, що і спостерігав Г. Мозлі.
Звідси випливає важливий висновок:
Порядковому номеру елемента в періодичній системі відповідає позитивний заряд ядра атома цього елемента.
Саме тому Г. Мозлі спостерігав, що нікель, маючи меншу атомну масу, ніж кобальт, давав більш короткохвильове випромінювання. Це підтверджувало те, що довжина рентгенівських хвиль визначається не атомною масою, а зарядом ядра, який у нікелю є більшим.
Після досліджень Г. Мозлі періодичний закон отримав нове формулювання:
Властивості елементів, а також форми та властивості сполук перебувають у періодичній залежності від зарядів ядер їхніх атомів.
Отже, порядковий номер елемента отримав цілком зрозумілий фізичний зміст. Він є однією з найголовніших характеристик елемента в періодичній системі.