La fisica dei corpuscoli/Capitolo 9/8

by Giuseppe Gianfranceschi

Capitolo 9 - Gli spettri ad altra frequenza

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Giuseppe Gianfranceschi - La Fisica dei Corpuscoli (1920)

Capitolo 9 - Gli spettri ad altra frequenza

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8. — Gli spettri ad altra frequenza degli elementi. — Le esperienze del Barkla avevano già dimostrato che elementi diversi emettono raggi X diversi. La diversa natura dei raggi veniva allora riscontrata solo nella diversità del potere penetrante. Ma dacchè si ha il modo di misurare la lunghezza d’onda di un fascio omogeneo di raggi X si possono studiare i raggi caratteristici dei vari elementi come si fa per i raggi luminosi. E l’insieme di linee caratteristiche di ciascun elemento costituisce ciò che si suol chiamare il suo spettro ad altra frequenza, appunto perchè questa speciale energia raggiante emessa dall’elemento ha una lunghezza d’onda piccolissima e quindi un numero di vibrazioni molto grande.

Il Moseley¹ ha potuto esaminare un gran numero di elementi. Egli si serviva di uno spettrometro a raggi X del tipo di quelli descritti. L’anticatodo del tubo emettente è costituito dall’elemento che si vuole studiare. Adoperava per ciò un dispositivo che permetteva di portare successivamente sul cammino dei raggi catodici il corpo da studiarsi. Il cristallo che funzionava da reticolo era di ferrocianuro di potassio, per il quale era stata preventivamente misurata la costante d che risultava eguale a $8,454\,\times \,10^{-8}$ cm. La camera esploratrice conteneva una lastra fotografica sulla quale si ricevevano le impressioni dei fasci riflessi.

Trattandosi di raggi che facilmente vengono assorbiti dall’aria tutto il processo doveva farsi nel vuoto.

La durata dell’esposizione variava secondo la sostanza, per evitare il riscaldamento e la volatilizzazione. Per alcune sostanze era soltanto di qualche minuto, per altre una mezz’ora e anche più.

Ogni linea caratteristica veniva misurata nei suoi due primi ordini, e gli angoli corrispondenti erano determinati con molta accuratezza fino al decimo ed anche al mezzo decimo grado.

Il fascetto di raggi adoperato era molto bene diaframmato per evitare tutte le radiazioni estranee ed avere una sottile stria di raggi incidenti.

Il Moseley ha potuto esaminare più di quaranta elementi dall’alluminio all’oro, che hanno i pesi atomici estremi fra i corpi studiati.

I risultati ottenuti si possono riassumere così:

a) Ogni elemento emette ordinariamente due righe, distinte con le lettere $\alpha$ e $\beta$. Per alcuni elementi ne esiste anche una terza $\gamma$, e qualche volta si hanno anche altre righe meno importanti. La più intensa è la riga $\alpha$ ed è quella che corrisponde ad una lunghezza d’onda maggiore.

b) Gli elementi a peso atomico piccolo dànno righe appartenenti alla serie K di Barkla, quelli più pesanti righe della serie L.

c) Se si distribuiscono gli elementi secondo le lunghezze d’onda decrescenti e secondo la frequenza crescente si trova che questa distribuzione coincide con quella dei pesi atomici crescenti. Così per la serie K la lunghezza d’onda per la riga $\alpha$ dell’alluminio è di $8,364\,\times \,10^{-8}$ cm. questo valore va decrescendo rapidamente fino a divenire $1,445\,\times \,10^{-8}$ cm. per la riga $\alpha$ dello zinco. Per la serie L la lunghezza d’onda maggiore è quella della riga $\alpha$ dello zirconio che è $6,091\,\times \,10^{-8}$ cm. La più piccola è quella relativa all’oro, la cui lunghezza d’onda è di $1,287\,\times \,10^{-8}$ cm.

d Se so attribuisce a ciascun elemento un numero intero N, che sia il numero d’ordine che ha l’elemento nella serie dei pesi atomici crescenti, questo numero caratterizza l’elemento per ciò che riguarda i raggi X che esso emette. Si costruire una tabella degli elementi distribuiti secondo il numero atomico.

Esistono tre casi nei quali il numero atomico non coincide col numero d’ordine degli elementi: l’argon viene anteposto al potassio benchè il peso atomico del primo sia 39.9 e quello del secondo 39.1; il cobalto con peso atomico 58.97 anteposto al nikel con peso atomico 58.68; e il jodio 126.91 posposto al tellurio 127.5. Queste trasposizioni però sono suggerite anche dalle proprietà chimiche di tali elementi.

g) Finalmente il numero atomico N è legato alla frequenza $\nu$ dei raggi X caratteristici da una relazione molto semplice

221)	$\nu ={\text{A}}\,(N\,-\,b^{2})$,

dove A e b sono costanti e b prende il valore 1 per le righe delle serie K, e il valore 7,4 per la serie L.

L’importanza di questi risultati apparisce chiaramente. Si può notare che secondo l’opinione di parecchi fisici il numero N può essere assunto come il numero atomico di unità elettriche positive contenute negli atomi.

Tabella degli elementi distribuiti secondo il loro numero atomico.

numero atomico	elemento	simbolo	peso atomico		numero atomico	elemento	simbolo	peso atomico
1	Idrogeno	H	1.008		47	Argento	Ag	107.88
2	Elio	He	4.00		48	Cadmio	Cd	112.40
3	Litio	Li	7.00		49	Indio	In	114.8
4	Berillio	Be	9.1		50	Stagno	Sn	119.0
5	Boro	B	11.0		51	Antimonio	Sb	120.2
6	Carbonio	C	12.0		52	Tellurio	Te	127.5
7	Azoto	N	14.01		53	Jodio	J	126.92
8	Ossigeno	O	16.0		54	Xeno	X	130.7
9	Fluoro	Fl	19.0		55	Cesio	Cs	132.81
10	Neo	Ne	20.00		56	Bario	Ba	137.37
11	Sodio	Na	23.00		57	Lantanio	La	139.0
12	Magnesio	Mg	24.32		58	Cerio	Ce	140.25
13	Alluminio	Al	27.1		59	Praseodimio	Pr	140.6
14	Silicio	Si	28.3		60	Neodimio	Ne	144.3
15	Fosforo	P	31.0		61
16	Zolfo	S	32.07		62	Samario	Sm	150.4
17	Cloro	Cl	35.46		63	Europio	Eu	152.0
18	Argo	Ar	39.88		64	Gadolinio	Gd	157.3
19	Potassio	K	39.10		65	Terbio	TB	159.2
20	Calcio	Ca	40.09		66	Disprosio	Dy	162.5
21	Scandio	Sc	44.1		67	Holmio	Ho	164
22	Titanio	Ti	48.1		68	Erbio	Er	167.4
23	Vanadio	V	51.2		69	Tullio	Tu	168.5
24	Cromo	Cr	52.0		70	Debaranio	Db	170
25	Manganese	Mn	54.93		71	Itterbio	Yb	172.0
26	Ferro	Fe	55.85		72	Lutezio	Lu	174.0
27	Cobalto	Co	58.97		73	Tantalio	Ta	181.0
28	Nickel	Ni	58.68		74	Tungsteno	W	184.0
29	Rame	Cu	63.57		75
30	Zinco	Zn	65.37		76	Osmio	Os	190.9
31	Gallio	Ga	69.9		77	Iridio	Ir	193.1
32	Germanio	Ge	72.5		78	Platino	Pt	195.0
33	Arsenico	As	74.96		79	Oro	Au	197.2
34	Selenio	Se	79.2		80	Mercurio	Hg	200.0
35	Bromo	Br	79.92		81	Tallio	Tl	204.2
36	Cripto	Kr	82.92		82	Piombo	Pb	207.1
37	Rubidio	Rb	85.45		83	Bismuto	Bi	208.0
38	Stronzio	Sr	87.62		84	Polonio	Po	212
39	Ittrio	Y	89.00		85
40	Zirconio	Zr	90.6		86	Niton	Nt	222
41	Niobio	Nb	93.5		87
42	Molibdeno	Mo	96.0		88	Radio	Ra	226.4
43					89	Attinio	Ac	230
44	Rutenio	Ru	101.7		90	Torio	Th	232.42
45	Rodio	Rh	102.9		91	Brevium	Bv	234
46	Palladio	Pd	106.7		92	Uranio	U	238.5

Sappiamo che l’atomo dell’elio contiene due di tali unità positive, perchè una particella $\alpha$ delle sostanze radiattive ha una carica elettrica che in valore assoluto è doppia della carica di un elettrone. Sicchè ogni volta che si passa da un atomo ad un altro con espulsione di una particella $\alpha$, il numero atomico verrebbe diminuito di 2 unità. L’espulsione di una particella $\beta$ farebbe dunque accrescere di una unità il numero atomico.

Il Rutherford² tenendo conto dei risultati del Moseley e delle conseguenze accennate trovò che il numero atomico del piombo che è eguale ad 82 dove coincidere con quello del radio B. Se così era doveva anche verificarsi l’identicità degli spettri ad alta frequenza. Per lo spettro del radio B bastava esaminare i raggi $\gamma$ da esso emessi spontaneamente, perchè poteva ritenersi coincidere con quelli che avrebbe emesso se sottoposto ad una proiezione di raggi catodici. E si verificò appunto ciò che si prevedeva. la riga più intensa dello spettro caratteristico del radio B coincide con quella ottenuta dal piombo nello spettro della serie L.

Applicando per entrambi la formola 221) di Moseley, si ricava tanto nell’un caso che nell’altro lo stesso numero atomico 82.

Bisogna però notare che il peso atomico del piombo non coincide con quello del radio B. Dalle trasformazioni del radio si deduce che il radio B ha un peso atomico di 214, mentre quello del piombo è di 207. Non ostante ciò quei due elementi hanno proprietà chimiche identiche, a quanto si sa. Se ne deduce che tanto gli spettri ad alta frequenza degli elementi, come le loro proprietà chimiche, non dipendono tanto dalla massa del loro atomo ma dal numero delle cariche elementari di elettricità positiva che contengono il loro nucleo, o se vogliamo, soltanto dal numero atomico N del Moseley.

Nell’ipotesi fatta che l’emissione di una particella $\alpha$ faccia abbassare di 2 unità il numero atomico, mentre quella di una $\beta$ lo fa innalzare di una, si può assegnare il numero atomico ai vari elementi nella scala ascendente. Così se al radio B compete il numero 82, al radio A si dovrà dare 84, all’emanazione 86, al radio 88 e così di seguito.

Le esperienze dei Bragg e del Moseley sono un campo ancora aperto a ricerche vastissime e di importanza singolare. I risultati hanno portato già un prezioso contributo allo studio della natura dei corpi, e molto di più è quello che se ne può ancora sperare.

Nell’esperienza dei Bragg si può dire che vengano rese visibili le molecole dei cristalli e gli atomi che le formano e che conservano in esse la propria individualità.

Quelle del Moseley c’iniziano invece alla conoscenza dell’atomo stesso.

Note

1. H. G. I. Moseley, The High-Frequency spectra of the Elements, Ph. M. vol. 26, p. 1024 (1913) e Ph. M. vol. 27, p. 703 (1914).
2. Rutherford, Ph. M. vol. 27, p. 854-868 (1914).