Miután semmilyen módszer nem áll rendelkezésre a spektrumanalízishez, azokat a jellegzetes Röntgen-sugár fajtákat, amelyeket a megfelelôen gerjesztett atomok kibocsájtanak, eddig csak az alumíniumban lejátszódó abszorpciójuk alapján írták le. Azok az interferencia-jelenségek azonban, amelyeket a kristályokon szóródó Röntgen-sugarak mutatnak, most már lehetôvé teszik a különbözô fajta sugárzások frekvenciáinak pontos meghatározását. Ezt W. H. és W. L. Bragg mutatta ki, akik ezzel a módszerrel elemezték egy Röntgen-csô platinatargetjének vonalas spektrumát. C. G. Darwin és a szerzô kiterjesztette ezt a vizsgálatot, és a folytonos spektrumot is elemezte, amely ebben az esetben a sugárzás nagyobbik részét alkotja. Nemrégiben Bragg professzor is meghatározta a nikkel, a volfrám és a ródium spektrumában a legerôsebb vonalak hullámhosszát. Az eddig alkalmazott elektromos módszerek azonban csak akkor eredményesek, ha állandó sugárforrás áll rendelkezésre. Jelen dolgozat ismertet egy eljárást ezeknek a spektrumoknak a lefényképezésére, ami olyan egyszerûvé teszi a Röntgen-sugarak elemzését, mint a spektroszkópia más ágáét. A szerzô elôször a nagyfrekvenciás sugárzás fô fajtáit kívánja átfogóan ismertetni, majd az eddiginél nagyobb részletességgel és pontossággal vizsgálja meg néhány elem spektrumát. Az eddigi eredmények arra utalnak, hogy ezek az adatok igen fontosak az atomok belsô szerkezetének feltárásában, és alaposan alátámasztják Rutherford és Bohr elméletét.

Kaye mutatta ki, hogy az elegendôen gyors katódsugárnyalábbal gerjesztett elemek karakterisztikus Röntgen-sugárzást bocsájtanak ki. Vizsgálataihoz számos anyagot használt targetként. A céltárgyakat evakuált csôben elhelyezett kocsira erôsítette, és mágneses berendezéssel állította a sugárzás irányába. A készüléket a jelen munka céljaira módosítottuk. A katódból érkezô nyalábot a target egy kis felületére koncentráltuk, és keskeny függôleges réssel ellátott platinalemezt tettünk közvetlenül a bombázott rész elé. A csövet Gaede-féle higanyszivattyúval evakuáltuk, néha cseppfolyós levegôbe helyezett faszenet is használtunk a vízgôz eltávolítására. A Röntgen-sugarak - az ábrán S-sel jelzett résen áthaladva - egy 0,02 mm vastag alumíniumablakon léptek ki. A sugárzás többi részét a csövet körülvevô ólomdoboz nyelte el. A sugarak egy spektrométer prizma-asztalára szerelt kálium-ferrocianid kristály C hasadási síkjára estek. A kristály felülete függôleges volt, és a spektrométer geometriai tengelye áthaladt rajta.

Ismert, hogy a Röntgen-sugarak általában heterogén sugárzásból és adott frekvenciájú karakterisztikus sugárzásokból állnak. Az elôzô olyan felületrôl verôdik vissza, amelyet mindeféle beesési szög alatt ér a sugárzás, de a jelen munkában alkalmazott nagy szögek esetén ennek intenzitása nagyon csekély. Az adott frekvenciájú sugarak azonban csak akkor verôdnek vissza, ha meghatározott szögben érik a felületet. A beesô sugárzás kristálysíkkal bezárt szöge,q, a hullámhossz és a kristály d "rácsállandója" a következô kapcsolatban áll egymással:

ahol az n egész szám a visszaverôdés "rendjének" nevezhetô. Az általunk használt ritka, 6 cm²-es lappal rendelkezô kristályról ismeretes volt, hogy az elsô három rendben ad erôs reflexiót, a harmadik rend a legerôteljesebb.

Ha tehát egy adott hullámhosszú sugárzás a kristály bármely P részét megfelelô szögben éri, egy kis része visszaverôdik. Tegyük fel egyelôre, hogy a sugárforrás pontszerû, P ekkor nyilvánvalóan egy köríven van, és a visszavert sugarak egy olyan kúp alkotói, amelynek a csúcsa a forrás képe. Az L fényképezôlemezen hiperbola jelenik meg, amely a beesô sugár irányától elhajlik. A keskeny S rés alkalmazása miatt az ívbôl vékony vonal lesz, amely a jelzett irányban kissé görbül.

A fényképezôlemezt a spektrométer karjára szereltük. A lemez és a rés is 17 cm-re volt a tengelytôl. Ez az elrendezés geometriai szempontból fontos, mert ha ez a két távolság egyenlô, az az L pont, amelynél az adott szögben visszavert sugár a lemezt éri, független a kristály felületén levô P helyzetétôl. A kristály beállítási szöge közömbös, ha a sugár a megfelelô szögben még eléri a felület valamely részét. A q szög a következô egyenletôl határozható meg: 2q = 180^o - SPL = 180^o - SAL.

Az SAL szöget a következô módon mértük meg. A fénykép elkészítése elôtt a lemez mindkét végén egy-egy R referencia vonalat vettünk fel úgy, hogy a kristály helyére egy keskeny réssel ellátott ólomernyôt tettünk. A rés egybeesett a spektrométer tengelyével. Néhány másodperces Röntgen-sugaras exponálás után megjelent a lemezen a R vonal, ami meghatározta rajta az S és A közötti vonalat. Ugyanígy egy másik RQ vonalat is felvettünk, miután a spektrométer karját adott szögben elforgattuk. A kart ezután olyan helyzetbe forgattuk, hogy a visszavert sugarat és az LAP szögeket minden egyes vonalra megkapjuk, amely ezután a lemezre került. D-t 1^o-os közökben határoztuk meg úgy, hogy a negatívra egy olyan fényképezôlemezt tettünk, amelyen a referencia vonalakat ugyanilyen módon jelöltük meg. A beesô sugárzás kristálysíkkal bezárt szögének meghatározásához két apró korrekciót is el kellett végezni, mert sem a kristálylap, sem az ólom rése nem esett pontosan egybe a spektrométer tengelyével. Egy adott kristályorinetáció mellett egymástól körülbelül 30%-nyira eltérô hullámhosszú sugarak verôdtek vissza róla.

Az expozíciós idô szinte minden esetben öt perc volt. Ilford-féle Röntgen-sugár lemezeket használtunk, és a képet rodinállal hívtuk elô. A lemezeket olyan lemeztartóba szereltük, amelynek az elejét fekete papír borította. A hullámhosszat a q visszaverôdési szögbôl a reflexió n rendje és a d rácsállandó ismeretében lehet meghatározni. n-et úgy kaptuk meg, hogy minden spektrumot másod- és harmadrendben is lefényképeztünk. Ez a mérések pontosságának ellenôrzése miatt is hasznos volt. A d nem számítható ki közvetlenül a bonyolult kálium-ferrocianid kristályra. A kristály rácsállandóját azonban elôzôleg már pontosan összehasonlították egy kôsókristály d' állandójával, és azt találták, hogy

W. L. Bragg kimutatta, hogy a kôsó kristály atomjai egyszerû köbös elrendezést vesznek fel. Ezért az 1 cm³-ben lévô atomok számára teljesül, hogy

ahol N, a gramm-molekulasúlynyi anyagban levô molekulák száma, = 6,05 · 10²³, feltéve, hogy az elektron töltése 4,89 · 10^-10; s, ennek a kôsónak a sûrûsége 2,167 volt, és M, a molekulasúly, = 58,46.

Ebbôl d' = 2,814 · 10^-8 and d = 8,454 · 10^-8 cm. Látható, hogy a hullámhossz-meghatározásban nem játszik fontos szerepet ennek az értéknek a bizonytalansága. A kristály homogenitásának hiánya valószínûbb hibaforrás, hiszen a kis vízzárványok miatt a sûrûség nagyobb lehet a kísérletben meghatározott értéknél.

Eddig tizenkét elemet vizsgáltunk meg....

Az V. ábra a harmadrendben visszaverôdött spektrumokat mutatja. (A spektrumokat nem közöljük. Szerk.) ... Látható, hogy minden elem spektruma két vonalból áll. Az erôsebbeket a, a gyengébbeket b jelzi. A lemezeken az a- és b-vonalakon kívül minden vonal szinte biztosan szennyezôdés következménye. A kobalt-spektrum mind másod-, mind harmadrendben nagyon erôs Ni_a és halvány Fe_a vonalat mutat. A nikkel spektrumán harmadrendben halvány Mn_a látható. A sárgaréz spektrumában természetesen megjelenik a Cu és a Zn a- és b-vonala, de a Zn_b2 nem látható. Másodrendben a ferrovanádium és a ferrotitán spektrum igen erôs harmadrendû Fe-vonalakat mutat, és az elôbbiben halvány Cu_a3 is megjelenik. A Co Ni-t és 0,8% Fe-t, a Ni 2,2% Mn-t, a V csak nyomnyi Cu-t tartalmazott. Más vonalak nem tûntek fel, de csak egy vagy két elem esetében végeztünk széles hullámhossz-tartományra kiterjedô vizsgálatokat, és a hosszabb expozíció nyomán, amelyet eddig még kíséreltünk meg, bonyolultabb spektrumok jelenhetnek meg. A szennyezôdések miatti nagyszámú vonal arra utal, hogy a módszer a kémiai elemzés hatékony eszköze lehet. A közönséges spektroszkópiai módszernél azért elônyösebb, mert a spektrumok egyszerûek, és lehetetlen, hogy az egyik anyag elfedje a másikból származó sugárzást. Az eljárás akár hiányzó elemek felfedezéséhez is vezethet, mert ezek karakterisztikus vonalait meg lehet majd jósolni....

3. ábra

A dolgozat elsô része a Röntgen-spektrumok fényképezésével foglalkozott, és egy tucat elem spektrumát tartalmazta. Azóta több mint harminc újabb elemet is megvizsgáltunk, és úgy találtuk, hogy az eredmények egyszerû törvényeknek engedelmeskednek. A törvények alapján az is biztonsággal megjósolható - az alumíniumtól az aranyig - bármely elem spektrumában, hogy hová kerülnek a fô vonalak. A jelen közlemény csak általános, elôzetes beszámoló, amely se teljességre, se nagy pontosságra nem törekszik....

Az 1. táblázatban láthatók azok az eredmények, amelyeket a Barkla-féle K-sorozathoz tartozó sugárzásokra kaptunk. [...] A l hullámhosszat a reflexió kristálysíkkal bezárt q szögébôl számítottuk ki az nl = 2d sinq összefüggésbôl, ahol d-t 8,454 · 10^-8 cm-nek vettük. A korábbihoz hasonlóan a legerôsebb vonalat a-val, a következôt b-val jelöltük. Az egyes vonalak frekvenciájának négyzetgyöke a 3. ábrán szerepel; a hullámhosszak a diagram tetején levô skála segítségével olvashatók le. (A jól látható, gif formátumú ábra kb. 130K, külön tölthetô le. Szerk.)
 

Az Al spektrumát csak elsô rendben fényképeztük le. A nagyon könnyû elemek spektruma több más halvány vonalat is mutat, amelyeket még nem vizsgáltunk meg részletesen. A Mg és a Na spektruma igen bonyolult, és szemmel láthatóan eltér azoktól az egyszerû összefüggésektôl, amelyek a többi elem spektrumát egymással kapcsolatba hozzák.

Az ittriummal kezdôdô spektrumokban eddig csak az a-vonalat mértük ki, a további eredményeket egy késôbbi dolgozatban közöljük. A K és a Cl spektrumát KCl targettel vettük fel, de igen kevéssé valószínû, hogy a megfigyelt vonalakat nem a megfelelô elemekhez rendeltük. Úgy tûnik, hogy az Y után álló elemek esetében az a-vonalak nagyon közeli dubletbôl állnak, amit már Bragg is észlelt a ródiumnál.

Az L-sorozat spektrumainak adatait a 2. táblázat és a 3. ábra szemlélteti. Ezek a spektrumok öt - a, b, g, d, e - vonalat tartalmaznak; hullámhosszuk és intenzitásuk a megadott sorrendben csökken. Az a-vonalak hosszú hullámhosszú oldalán mindig feltûnik egy halvány a'-vonal, egy igen gyenge j-vonal látható legalább a ritkaföldfémek b- és g-vonala között, és számos nagyon gyenge, a-nál nagyobb hullámhosszú vonal is megjelenik. Az a-, b-, j- és g-vonalat azzal a céllal mértük ki szisztematikusan, hogy megmegnézzük, miként változik elemrôl elemre a spektrum. A táblázatból hiányzó adatok mindössze azt jelentik, hogy a munkát még nem fejeztük be. Az eddigi vizsgálatok szerint a spektrumok annyira hasonlóak, hogy legalább az a-, b- és g-vonal kétségtelenül mindig létezik. A g-vonalakat nem mindig vettük fel, mert egyetlen lemezre korlátozott hullámhossz-tartomány fényképezhetô le. A vonalakat néha gyengeségük vagy a szennyezések vonalainak zavaró közelsége miatt nem mértük ki....
 

A 3. ábrán az elemek spektrumait egymástól azonos távolságra elhelyezett, vízszintes vonalakon tüntettük fel. Az elemek atomsúlyaik szerint követik egymást az A [Ar], Co és Te kivételével, ahol ez a rend nem egyezik meg a kémiai tulajdonságok rendjével. Üres vonalat hagytunk egy-egy eddig ismeretlen elemnek a Mo és a Ru, a Nd és a Sa [Sm], valamint a W és az Os között, míg a Tm, amelyet Welsbach két alkotórészre választott szét, két vonalat kapott. Ez az elrendezés megfelel annak, hogy az egymást követô elemekhez egymást követô, az elemekre jellemzô egész számokat rendelünk. Ennek az elvnek az alapján a tizenharmadik elemhez, az Al-hoz tartozó N egész számot 13-nak vettük. A többi elemhez feltételezett N-értékeket a 3. ábra bal oldalán tüntettük fel. Az eljárás jogosságát az igazolja, hogy a Röntgen-spektrumok így tökéletesen szabályos rendbe sorolhatók. A 3. ábra vizsgálata azt mutatja, hogy mind a K-, mind az L-sorozat minden kimért vonalára a n^1/2-értékek szabályos, egyenes vonallal közelíthetô görbére esnek. Ugyanez még világosabban látható, ha az 1. táblázat N értékeit Q_K értékeivel hasonlítjuk össze:

ahol n a vonal frekvenciája és n_o a fundamentális Rydberg-frekvencia. Jól látszik, hogy nagyon jó közelítéssel Q_K = N - 1, a nagyon rövid hullámhosszú sugárzások kivételével, amelyek fokozatosan eltérnek ettôl az összefüggéstôl. Ha a 2. táblázat N értékeit a Q_L értékekkel hasonlítjuk össze,

ahol n az L_a-vonal frekvenciája, azt kapjuk, hogy közelítôleg Q_L = N - 7,4, bár a szisztematikus eltérés mutatja, hogy ebben az esetben az összefüggés nem pontosan lineáris.

Ha akár az elemekre nem jellemzôek ezek az egész számok, akár a választott elrendezés vagy az ismeretlen elemeknek kihagyott helyek száma hibás, ezek a szabályszerûségek azonnal eltûnnek. Ezért egyedül a Röntgen-spektrumok bizonysága alapján - az atomszerkezetre vonatkozó elméletek felhasználása nélkül - juthatunk arra a következtetésre, hogy ezek az egész számok valóban jellemzôek az elemekre. Továbbá, mivel nem valószínû, hogy két különbözô stabil elemnek ugyanaz legyen az egész száma, három - és csak három - további elem létezése valószínû az Al és a Au között. Miután ezeknek az elemeknek a Röntgen-spektruma megbízhatóan megjósolható, az elemeket feltehetôen nem nehéz megtalálni. A keltium vizsgálata kivételesen érdekes lenne, mert ehhez az elemhez nem rendeltünk helyet.

Rutherford bebizonyította, hogy az atom legfontosabb része a középsô, pozitív töltésû mag; van den Broek felvetette, hogy a magok töltése minden esetben a hidrogénmag töltésének egész számú többszöröse. Minden okunk megvan ahhoz a feltevéshez, hogy az az egész szám, amely a Röntgen-spektrumokban érvényre jut, ugyanaz, mint a magban levô elektromos egységek száma. Ezek a kísérletek ezért a lehetô legalaposabban alátámasztják van den Broek hipotézisét. Soddy kimutatta, hogy a radio-elemek kémiai tulajdonságai határozottan bizonyítják, hogy ez a feltevés a talliumtól az uránig igaz. Úgy tûnik, most a hipotézis általános érvényességét alapoztuk meg.