La Tavola periodica
Negli elementi chimici con molti elettroni (come il sodio), gli elettroni più esterni possono saltare da un livello energetico a un altro. Ci si aspetta, invece, che gli elettroni posti più in basso, più vicini al nucleo, abbiano dei livelli energetici definiti. Mettendo gli elementi in ordine di peso atomico (ricavato dalla loro densità allo stato gassoso, o con altri metodi) si mettono in evidenza due caratteristiche. Una, ciascun elemento ha un elettrone in più rispetto a quello precedente (e questo è anche provato con i raggi X), e due, alcune strutture tendono a ripetersi continuamente.
Per esempio, il litio, il sodio e il potassio (e anche il rubidio e il cesio) hanno tutti un comportamento chimico simile, corrispondente ad un solo elettrone attivo; gli altri elettroni formano uno stretto ammasso sferico centrato sul nucleo. Queste strutture ripetitive (ne esistono parecchie) furono riscontrate per la prima volta nel XIX secolo dal chimico russo Mendeleev ("Mendeleyev"), che usò questo fatto per predire l'esistenza di altri elementi non ancora scoperti.
I restanti elettroni situati nei compatti "ammassi" centrali del litio, sodio, potassio, ecc. sembrava che presentassero una configurazione piuttosto stabile. Gli elementi immediatamente precedenti a questi nella lista -- elio, neon e argon -- erano i "gas nobili" che resistevano a tutte le combinazioni chimiche, suggerendo che tutti i loro elettroni fossero in un ammasso attaccato al nucleo, con un legame così stabile che nessun altro atomo poteva spezzare.
Che cos'è che determinava il numero degli elettroni in quell' "ammasso" -- e quindi il numero di elementi che occorreva contare perché un nuovo "periodo" venisse formato? Il litio era il 3º elemento, per cui il suo nucleo doveva avere 2 elettroni. Il sodio l'11º, e questo significava che 10 elettroni fossero nel nucleo, 8 in più del litio, probabilmente come "secondo strato" sopra quello del litio (e così via). Allora la struttura dei livelli energetici era nota dagli spettri, ciascuno con un numero di stati di momento angolare "permessi", e l'idea era che essi costituissero dei "gusci" che i livelli energetici permessi riempivano completamente. Questo modello in realtà funzionava, ma solo dopo che Pauli ebbe suggerito che ogni livello accoglieva esattamente due elettroni con spin opposto. Tra gli elementi più pesanti, talvolta i gusci si riempivano in un ordine diverso da quello che ci si aspettava (alcuni "più esterni" venivano prima di altri "più interni"), ma comunque il modello sembrava efficace.
Ma soltanto il modello! Si potevano forse classificare i livelli energetici in ordine, ma non prevedere il loro valore. E neppure si poteva prevedere l'intensità delle linee di campo -- se un atomo si trovava al livello energetico "A", qual'era la probabilità relativa che saltasse verso il livello "B" o "C"? Perché, per esempio, le transizioni riguardanti il doppietto giallo del sodio erano così prevalenti che la loro luce dominava tutte le altre emissioni da parte di quell'atomo?
E se un atomo sembrava rassomigliare ad un sistema planetario in miniatura, perché le frequenze dei fotoni emessi sembravano non correlate alle frequenze orbitali calcolate per un tale moto planetario? E perché quelle regole arbitrarie sui momenti angolari? La teoria Bohr-Sommerfeld sembrava che fornisse molti spunti, ma nessuna risposta precisa.
