Henry Moseley und das Moseley-Gesetz: Wie Röntgenstrahlen die Ordnung der Elemente bestätigten

Wie Henry Moseley mit Röntgenstrahlen die Bedeutung der Ordnungszahl nachwies und das Periodensystem veränderte.

Warum steht Kobalt im Periodensystem vor Nickel, obwohl Nickel die geringere Atommasse besitzt? 
Diese Frage lässt sich mit einer Entdeckung beantworten, die der britische Physiker Henry Moseley 1913 machte. Er untersuchte die charakteristische Röntgenstrahlung chemischer Elemente und fand einen gesetzmäßigen Zusammenhang mit deren Ordnungszahl.

Seine Arbeiten lieferten einen entscheidenden experimentellen Beleg dafür, dass nicht die Atommasse, sondern die Kernladung die Reihenfolge der Elemente bestimmt.

Warum die Atommasse als Ordnungsprinzip nicht ausreichte

Im 19. Jahrhundert wurden die chemischen Elemente hauptsächlich anhand ihrer Atomgewichte und chemischen Eigenschaften geordnet. Dabei traten Widersprüche auf.

Ein Beispiel sind Kobalt und Nickel:

Element	Ordnungszahl	Relative Atommasse
Kobalt (Co)	27	58,93
Nickel (Ni)	28	58,69

Nach steigender Atommasse müsste Nickel vor Kobalt stehen. Die chemischen Eigenschaften sprechen jedoch für die umgekehrte Reihenfolge.

Mendelejew und Lothar Meyer hatten die periodischen Beziehungen der Elemente bereits erkannt. Die physikalische Ursache ihrer Reihenfolge war jedoch noch nicht hinreichend geklärt.

Wie die beiden Wissenschaftler zur Entwicklung des Periodensystems beitrugen, beschreiben wir in unserem Beitrag „Auf den Spuren des Periodensystems – Unsere Reise zu Mendelejew nach St. Petersburg“.

Wie Henry Moseley die Röntgenspektren untersuchte

Henry Gwyn Jeffreys Moseley (1887–1915) arbeitete an der Universität Manchester im wissenschaftlichen Umfeld von Ernest Rutherford.

1913 untersuchte er systematisch die charakteristische Röntgenstrahlung verschiedener Elemente. Dazu ließ er energiereiche Elektronen auf metallische Proben treffen und analysierte die entstehende Strahlung mithilfe der Röntgenbeugung an Kristallen.

Die gemessenen Beugungswinkel ermöglichten es, die Wellenlängen charakteristischer Spektrallinien zu bestimmen.

Warum senden Elemente unterschiedliche Röntgenstrahlung aus?

Nach heutiger atomphysikalischer Erklärung kann ein energiereiches Elektron ein Elektron aus einer inneren Schale eines Atoms entfernen.

Wird die entstandene Leerstelle durch ein Elektron aus einem höheren Energieniveau besetzt, kann die Energiedifferenz als Röntgenphoton abgegeben werden.

Für die Energie dieses Photons gilt:

E = h · ν

Dabei ist h das Plancksche Wirkungsquantum und ν die Frequenz der ausgesandten Strahlung.

Da die Energien innerer Elektronenzustände von der Kernladung und der Abschirmung durch andere Elektronen abhängen, besitzen die Elemente charakteristische Röntgenspektren.

Moseley erkannte, dass diese Spektren einer bemerkenswert regelmäßigen Gesetzmäßigkeit folgen.

Das Moseley-Gesetz: Der Zusammenhang zwischen Röntgenfrequenz und Ordnungszahl

Moseley stellte fest, dass die Quadratwurzel der Frequenz bestimmter charakteristischer Röntgenlinien näherungsweise linear mit der Ordnungszahl zunimmt.

Das nach ihm benannte Moseley-Gesetz lässt sich schreiben als:

√ν = a · (Z − b)

Dabei bezeichnet:

• ν die Frequenz einer charakteristischen Röntgenlinie,

• Z die Ordnungszahl des Elements,

• a und b Konstanten der betrachteten Linienserie.

Für die Kα-Linie ergibt sich im vereinfachten wasserstoffähnlichen Modell näherungsweise:

1 / λ = ¾ · R∞ · (Z − 1)²

Hierbei ist λ die Wellenlänge und R∞ die Rydberg-Konstante.

Der Zusammenhang lässt sich grafisch darstellen: Trägt man √ν gegen Z auf, liegen die Messpunkte einer bestimmten Linienserie näherungsweise auf einer Geraden.

Das Entscheidende daran war nicht allein die mathematische Regelmäßigkeit. Moseleys Messungen ermöglichten es, die Stellung eines Elements mit einer experimentell bestimmbaren physikalischen Größe zu verknüpfen.

Die Ordnungszahl war damit mehr als eine fortlaufende Nummer innerhalb einer Tabelle.

Warum die Ordnungszahl entscheidend ist

Schon vor Moseleys Arbeiten hatte der niederländische Physiker Antonius van den Broek vorgeschlagen, die Ordnungszahl mit der positiven Kernladung eines Atoms in Verbindung zu bringen.

Moseleys Röntgenspektroskopie lieferte dafür überzeugende experimentelle Evidenz.

Heute entspricht die Ordnungszahl Z der Anzahl der Protonen im Atomkern. Sie bestimmt die Identität eines chemischen Elements.

Damit lässt sich auch die Reihenfolge von Kobalt und Nickel erklären: Kobalt besitzt 27 Protonen, Nickel 28. Ihre Stellung im Periodensystem richtet sich nach diesen Ordnungszahlen und nicht nach der mittleren Atommasse.

Die wissenschaftlichen Grundlagen und die Herkunft der in unseren Periodensystemen angegebenen Elementdaten erläutern wir im bestehenden Beitrag „Woher kommen die Daten im blume Periodensystem?“.

Wie Moseley Lücken im Periodensystem sichtbar machte

Moseleys Messungen waren auch für die Suche nach noch unbekannten Elementen bedeutsam.

Wenn die charakteristischen Röntgenfrequenzen einer regelmäßigen Beziehung zur Ordnungszahl folgen, lassen sich fehlende Positionen innerhalb der Elementfolge erkennen.

So halfen seine Untersuchungen, Lücken und Unsicherheiten bei der Einordnung der Elemente genauer zu bestimmen.

Zu den damals noch unbekannten Elementen gehörten unter anderem Hafnium (Ordnungszahl 72) und Rhenium (75), die 1923 beziehungsweise 1925 entdeckt wurden.

Moseley selbst entdeckte diese Elemente nicht. Seine Arbeiten lieferten jedoch wichtige Anhaltspunkte für ihre spätere Einordnung.

Besonders bedeutsam war dies auch bei den seltenen Erden, deren chemische Eigenschaften einander teilweise so stark ähneln, dass ihre eindeutige Zuordnung lange schwierig war.

Was Moseleys Entdeckung erklärt und was nicht

Moseleys Gesetz begründet die Reihenfolge der Elemente durch einen experimentell nachweisbaren Zusammenhang mit der Kernladung.

Es erklärt jedoch nicht allein, warum sich chemische Eigenschaften periodisch wiederholen.

Diese Periodizität hängt wesentlich mit der Elektronenstruktur der Atome zusammen. Ihre theoretische Erklärung wurde erst durch die weitere Entwicklung der Quantenmechanik möglich.

Damit müssen zwei wissenschaftliche Fragen unterschieden werden:

Die Ordnungszahl bestimmt, welches Element vorliegt und an welcher Stelle es im Periodensystem steht. Die Elektronenkonfiguration erklärt wesentlich, warum Elemente bestimmter Gruppen ähnliche chemische Eigenschaften besitzen.

Moseleys Forschung war somit ein entscheidender Schritt zur physikalischen Fundierung des Periodensystems, ohne bereits dessen gesamte Struktur zu erklären.

Fazit: Eine chemische Ordnung erhält eine physikalische Grundlage

Henry Moseley zeigte 1913 und 1914, dass die charakteristische Röntgenstrahlung der Elemente einer systematischen Beziehung zu ihrer Ordnungszahl folgt.

Damit lieferte er einen entscheidenden experimentellen Beleg für die Bedeutung der Kernladung als Ordnungsprinzip.

Seine Arbeiten bestätigten wesentliche Teile der bestehenden Elementordnung, klärten problematische Zuordnungen und halfen, noch unbekannte Elemente einzugrenzen.

Moseley fiel 1915 im Alter von nur 27 Jahren während des Ersten Weltkriegs. Trotz seiner kurzen wissenschaftlichen Laufbahn gehört seine Entdeckung zu den grundlegenden Fortschritten auf dem Weg zum modernen Periodensystem.

Quellen und weiterführende Literatur

[1] Quadbeck-Seeger, Hans-Jürgen: Historische Darstellung des Periodensystems, insbesondere Seiten 6–15 der für diesen Beitrag bereitgestellten Buchvorlage. Angegebene ISBN: 978-3-527-31679-3. Exakte bibliografische Angaben vor Veröffentlichung anhand des Impressums bestätigen.

[2] Moseley, H. G. J. (1913): The High-Frequency Spectra of the Elements. Philosophical Magazine, Series 6, 26, 1024–1034. https://doi.org/10.1080/14786441308635052

[3] Moseley, H. G. J. (1914): The High-Frequency Spectra of the Elements. Part II. Philosophical Magazine, Series 6, 27, 703–713. https://doi.org/10.1080/14786440408635141

[4] Royal Society of Chemistry: Development of the periodic table. https://periodic-table.rsc.org/about

[5] LEIFIphysik: Gesetz von Moseley. https://www.leifiphysik.de/atomphysik/roentgen-strahlung/grundwissen/gesetz-von-moseley

[6] Gesellschaft Deutscher Chemiker: 150 Jahre Periodensystem der Elemente. https://www.gdch.de/fileadmin/downloads/Service_und_Informationen/Presse_OEffentlichkeitsarbeit/Bilder/PSE-Jahr/Wolfgang_Hoenle_Stiftung_PSE_Broschuere.pdf

Weiterführende blume-Beiträge: Auf den Spuren des Periodensystems – Unsere Reise zu Mendelejew nach St. Petersburg und Woher kommen die Daten im blume Periodensystem?