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Henry Gwyn Jeffreys Moseley fue un físico inglés cuya contribución a la ciencia de la física fue la justificación según las leyes físicas del concepto atómico empírico y químico previo del número atómico. Esto surgió de su desarrollo de la ley de Moseley en espectros de rayos X.
La ley de Moseley avanzó en la física atómica, física nuclear y física cuántica al proporcionar la primera evidencia experimental a favor de la teoría de Niels Bohr, además del espectro del átomo de hidrógeno que la teoría de Bohr fue diseñada para reproducir. Esta teoría refinó el modelo de Ernest Rutherford y Antonius van den Broek, que propuso que el átomo contiene en su núcleo un número de cargas nucleares positivas igual a su número atómico en la tabla periódica. Este sigue siendo el modelo aceptado hoy en día.
Cuando la Primera Guerra Mundial estalló en Europa Occidental, Moseley dejó su trabajo de investigación en la Universidad de Oxford para ofrecerse como voluntario en los Ingenieros Reales del Ejército Británico. Moseley fue asignado a la fuerza de soldados del Imperio Británico que invadió la región de Galípoli, Turquía, en abril de 1915, como oficial de telecomunicaciones. Moseley fue dispurado y murió durante la Batalla de Galípoli el 10 de agosto de 1915, a los 27 años. Los expertos han especulado que Moseley podría haber ganado el Premio Nobel de Física en 1916.
Biografía
Henry G. J. Moseley, conocido por sus amigos como Harry, nació en Weymouth en Dorset en 1887. Su padre Henry Nottidge Moseley 1844–1891, quien murió cuando Moseley era bastante joven, fue biólogo y también profesor de anatomía y fisiología en la Universidad de Oxford, quien había sido miembro de la Expedición Challenger. La madre de Moseley era Amabel Gwyn Jeffreys, hija del biólogo y conquiólogo galés John Gwyn Jeffreys. También fue campeona de ajedrez de mujeres británicas en 1913.
Moseley fue un estudiante muy prometedor en Summer Fields School donde una de las cuatro "ligas" lleva su nombre, y le fue otorgada una beca del Rey para asistir a Eton College. En 1906 ganó los premios de química y física en Eton. En 1906, Moseley entró en Trinity College de la Universidad de Oxford, donde obtuvo su licenciatura. Como estudiante de pregrado en Oxford, Moseley se unió a Apollo University Lodge. Inmediatamente después de graduarse de Oxford en 1910, Moseley se convirtió en demostrador de física en la Universidad de Manchester bajo la supervisión de Sir Ernest Rutherford. Durante el primer año de Moseley en Manchester, tuvo una carga de enseñanza como asistente de enseñanza de posgrado, pero después de ese primer año, fue reasignado de sus deberes de enseñanza para trabajar como asistente de investigación de posgrado. Rechazó una beca ofrecida por Rutherford, prefiriendo volver a Oxford en noviembre de 1913, donde se le otorgaron facilidades de laboratorio pero sin apoyo.
Trabajo científico
Experimentando con la energía de las partículas beta en 1912, Moseley demostró que potenciales altos eran alcanzables desde una fuente radiactiva de radio, inventando así la primera batería atómica, aunque no pudo producir los 1MeV necesarios para detener las partículas.
En 1913, Moseley observó y midió los espectros de rayos X de varios elementos químicos, principalmente metales, que fueron encontrados por el método de difracción a través de cristales. Este fue un uso pionero del método de espectroscopia de rayos X en física, usando la ley de difracción de Bragg para determinar las longitudes de onda de los rayos X. Moseley descubrió una relación matemática sistemática entre las longitudes de onda de los rayos X producidos y los números atómicos de los metales que se utilizaban como objetivos en tubos de rayos X. Esto se ha conocido como la ley de Moseley.
Antes del descubrimiento de Moseley, los números atómicos o número elemental de un elemento se consideraban como un número secuencial semiarbtrario, basado en la secuencia de masas atómicas, pero modificado algo donde los químicos encontraban esta modificación deseable, como por el químico ruso Dmitri Ivanovich Mendeleev. En su invención de la Tabla Periódica de los Elementos, Mendeleev había intercambiado los órdenes de algunos pares de elementos para colocarlos en lugares más apropiados en esta tabla de elementos. Por ejemplo, los metales cobalto y níquel habían sido asignados a los números atómicos 27 y 28, respectivamente, basados en sus propiedades químicas y físicas conocidas, aunque tienen casi las mismas masas atómicas. De hecho, la masa atómica del cobalto es ligeramente mayor que la del níquel, lo que los habría colocado en orden inverso si hubieran sido colocados en la Tabla Periódica ciegamente según la masa atómica. Los experimentos de Moseley en espectroscopia de rayos X mostraron directamente desde su física que el cobalto y el níquel tienen diferentes números atómicos, 27 y 28, y que están colocados correctamente en la Tabla Periódica según las mediciones objetivas de Moseley de sus números atómicos. Por lo tanto, el descubrimiento de Moseley demostró que los números atómicos de los elementos no son solo números arbitrarios basados en la química y la intuición de los químicos, sino que tienen una base experimental firme de la física de sus espectros de rayos X.
Además, Moseley demostró que había espacios en la secuencia de números atómicos en los números 43, 61, 72 y 75. Estos espacios ahora se conocen, respectivamente, como los lugares de los elementos sintéticos radiactivos tecnecio y prometio, y también los dos últimos elementos estables naturales bastante raros hafnio descubierto en 1923 y renio descubierto en 1925. Nada se sabía sobre estos cuatro elementos durante la vida de Moseley, ni siquiera su existencia. Basándose en la intuición de un químico muy experimentado, Dmitri Mendeleev había predicho la existencia de un elemento faltante en la Tabla Periódica, que luego se encontró que era rellenado por el tecnecio, y Bohuslav Brauner había predicho la existencia de otro elemento faltante en esta tabla, que luego se encontró que era rellenado por el prometio. Los experimentos de Henry Moseley confirmaron estas predicciones, al mostrar exactamente cuáles eran los números atómicos faltantes, 43 y 61. Además, Moseley predijo la existencia de dos elementos más no descubiertos, aquellos con números atómicos 72 y 75, y proporcionó evidencia muy fuerte de que no había otros espacios en la Tabla Periódica entre los elementos aluminio número atómico 13 y oro número atómico 79.
Esta última pregunta sobre la posibilidad de más elementos "faltantes" no descubiertos había sido un problema pendiente entre los químicos del mundo, particularmente dada la existencia de la gran familia de la serie de lantánidos de elementos de tierras raras. Moseley fue capaz de demostrar que estos elementos de lantánidos, es decir, desde lantano hasta lutecio, deben tener exactamente 15 miembros, ni más ni menos. El número de elementos en los lantánidos había sido una pregunta que estaba muy lejos de ser resuelta por los químicos de principios del siglo XX. Aún no podían producir muestras puras de todos los elementos de tierras raras, ni siquiera en forma de sus sales, y en algunos casos no podían distinguir entre mezclas de dos elementos de tierras raras adyacentes muy similares de los metales puros cercanos en la Tabla Periódica. Por ejemplo, había un llamado "elemento" que incluso fue dado el nombre químico de "didimio". "Didimio" resultó ser años más tarde simplemente una mezcla de dos elementos genuinos de tierras raras, y se les dieron los nombres neodimio y praseodimio, lo que significa "nuevo gemelo" y "gemelo verde". Además, el método de separar los elementos de tierras raras por el método de intercambio iónico aún no había sido inventado en la época de Moseley.
El método de Moseley en la espectroscopia temprana de rayos X fue capaz de resolver rápidamente los problemas químicos anteriores, algunos de los cuales habían ocupado a los químicos durante varios años. Moseley también predijo la existencia del elemento 61, un lantánido cuya existencia era previamente insospechada. Bastantes años más tarde, este elemento 61 fue creado artificialmente en reactores nucleares y fue nombrado prometio.
Contribución a la comprensión del átomo
Antes de Moseley y su ley, los números atómicos se consideraban como un número de ordenación semiarbtrario, que aumentaba vagamente con el peso atómico pero no estrictamente definido por él. El descubrimiento de Moseley mostró que los números atómicos no fueron asignados arbitrariamente, sino que tienen una base física definida. Moseley postuló que cada elemento sucesivo tiene una carga nuclear exactamente una unidad mayor que su predecesor. Moseley redefinió la idea de números atómicos desde su estado anterior como una etiqueta numérica ad hoc para ayudar a clasificar los elementos en una secuencia exacta de números atómicos ascendentes que hiciera la Tabla Periódica exacta. Esto luego sería la base del principio de Aufbau en estudios atómicos. Como señaló Bohr, la ley de Moseley proporcionó un conjunto de datos experimentales razonablemente completo que apoyaba el nuevo concepto de 1911 de Ernest Rutherford y Antonius van den Broek del átomo, con un núcleo cargado positivamente rodeado de electrones cargados negativamente en el cual el número atómico se entiende que es el número físico exacto de cargas positivas que luego se descubrieron y se llamaron protones en los núcleos atómicos centrales de los elementos. Moseley mencionó a los dos científicos anteriores en su artículo de investigación, pero en realidad no mencionó a Bohr, quien era bastante nuevo en la escena en ese entonces. Se encontró que simples modificaciones de las fórmulas de Rydberg y Bohr proporcionaban justificación teórica para la ley derivada empíricamente de Moseley para determinar números atómicos.
Uso del espectrómetro de rayos X
Los espectrómetros de rayos X son las piedras fundamentales de la cristalografía de rayos X. Los espectrómetros de rayos X tal como los conocía Moseley funcionaban de la siguiente manera. Se utilizó un tubo de electrones de bulbo de vidrio, similar al que sostenía Moseley en la foto aquí. Dentro del tubo evacuado, los electrones fueron disparados contra una sustancia metálica, es decir, una muestra de elemento puro en el trabajo de Moseley, causando la ionización de electrones de las capas de electrones interiores del elemento. El rebote de electrones en estos agujeros en las capas interiores luego causa la emisión de fotones de rayos X que fueron sacados del tubo en un semiaz, a través de una abertura en el blindaje externo de rayos X. Estos luego fueron difractados por un cristal de sal estandarizado, con resultados angulares leídos como líneas fotográficas por la exposición de una película de rayos X fijada en el exterior del tubo de vacío a una distancia conocida. La aplicación de la ley de Bragg después de algunas conjeturas iniciales de las distancias medias entre átomos en el cristal metálico, basado en su densidad, permitió luego calcular la longitud de onda de los rayos X emitidos.
Moseley participó en el diseño y desarrollo de equipos tempranos de espectrometría de rayos X, aprendiendo algunas técnicas de William Henry Bragg y William Lawrence Bragg en la Universidad de Leeds, y desarrollando otras él mismo. Muchas de las técnicas de espectroscopia de rayos X fueron inspiradas por los métodos que se utilizan con espectroscopios de luz visible y espectrogramas, sustituyendo cristales, cámaras de ionización y placas fotográficas por sus análogos en espectroscopia de luz. En algunos casos, Moseley encontró necesario modificar su equipo para detectar rayos X particularmente blandos que no podían penetrar ni el aire ni el papel, trabajando con sus instrumentos en una cámara de vacío.
Muerte y consecuencias
Alrededor de la primera mitad de 1914, Moseley renunció a su posición en Manchester, con planes de volver a Oxford y continuar su investigación de física allí. Sin embargo, la Primera Guerra Mundial estalló en agosto de 1914, y Moseley rechazó esta oferta de trabajo para enlistarse en su lugar con los Ingenieros Reales del Ejército Británico. Su familia y amigos intentaron persuadirlo de no unirse, pero pensó que era su deber. Moseley sirvió como oficial técnico en comunicaciones durante la Batalla de Galípoli, en Turquía, comenzando en abril de 1915, donde fue muerto en acción el 10 de agosto de 1915. Moseley fue disparado en la cabeza por un francotirador turco mientras estaba en el acto de telefonear una orden militar.
Con solo veintisiete años en el momento de su muerte, Moseley podría, en opinión de algunos científicos, haber contribuido mucho al conocimiento de la estructura atómica si hubiera sobrevivido. Niels Bohr dijo en 1962 que el trabajo de Rutherford "no fue tomado en serio en absoluto" y que el "gran cambio vino de Moseley".
Robert Millikan escribió: "En una investigación que está destinada a ocupar un lugar entre la docena más brillante en concepción, hábil en ejecución e iluminadora en resultados en la historia de la ciencia, un joven de veintiséis años abrió las ventanas a través de las cuales podemos vislumbrar el mundo subatómico con una definición y certeza nunca imaginadas antes. Si la Guerra Europea no hubiera tenido otro resultado que apagar esta joven vida, eso solo la convertiría en uno de los crímenes más horribles e irreparables de la historia".
George Sarton escribió: "Su fama ya estaba establecida en una base tan segura que su memoria será verdegueante"
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