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Henry Gwyn Jeffreys Moseley était un physicien anglais, dont la contribution à la science de la physique a été la justification par les lois physiques du concept antérieur empirique et chimique du numéro atomique. Cela découlait de son développement de la loi de Moseley dans les spectres de rayons X.
La loi de Moseley a fait progresser la physique atomique, la physique nucléaire et la physique quantique en fournissant la première preuve expérimentale en faveur de la théorie de Niels Bohr, à l'exception du spectre de l'atome d'hydrogène que la théorie de Bohr avait été conçue pour reproduire. Cette théorie a affiné le modèle d'Ernest Rutherford et d'Antonius van den Broek, qui proposait que l'atome contient dans son noyau un nombre de charges nucléaires positives égal à son numéro atomique dans le tableau périodique. Cela reste le modèle accepté aujourd'hui.
Lorsque la Première Guerre mondiale a éclaté en Europe occidentale, Moseley a abandonné son travail de recherche à l'Université d'Oxford pour s'engager volontairement dans les Royal Engineers de l'armée britannique. Moseley a été assigné à la force des soldats de l'Empire britannique qui ont envahi la région de Gallipoli, en Turquie, en avril 1915, en tant qu'officier des télécommunications. Moseley a été tué par balle lors de la bataille de Gallipoli le 10 août 1915, à l'âge de 27 ans. Les experts ont spéculé que Moseley aurait pu être récipiendaire du prix Nobel de physique en 1916.
Biographie
Henry G. J. Moseley, connu de ses amis sous le nom de Harry, est né à Weymouth dans le Dorset en 1887. Son père Henry Nottidge Moseley 1844–1891, qui est décédé quand Moseley était encore jeune, était un biologiste et aussi un professeur d'anatomie et de physiologie à l'Université d'Oxford, qui avait été membre de l'Expédition Challenger. La mère de Moseley était Amabel Gwyn Jeffreys, la fille du biologiste et conchologiste gallois John Gwyn Jeffreys. Elle était aussi la championne britannique d'échecs féminin en 1913.
Moseley avait été un très prometteur écolier à la Summer Fields School où l'une des quatre « liges » porte son nom, et il a reçu une bourse du Roi pour assister à Eton College. En 1906, il a remporté les prix de chimie et de physique à Eton. En 1906, Moseley est entré au Trinity College de l'Université d'Oxford, où il a obtenu son diplôme de premier cycle. En tant qu'étudiant à Oxford, Moseley a rejoint l'Apollo University Lodge. Immédiatement après son diplôme d'Oxford en 1910, Moseley est devenu démonstrateur en physique à l'Université de Manchester sous la supervision de Sir Ernest Rutherford. Au cours de la première année de Moseley à Manchester, il avait une charge d'enseignement en tant qu'assistant d'enseignement des études supérieures, mais après cette première année, il a été réaffecté de ses fonctions d'enseignement pour travailler en tant qu'assistant de recherche des études supérieures. Il a refusé une bourse offerte par Rutherford, préférant retourner à Oxford, en novembre 1913, où il s'est vu accorder des installations de laboratoire mais aucun soutien.
Travail scientifique
En expérimentant l'énergie des particules bêta en 1912, Moseley a montré que des potentiels élevés étaient réalisables à partir d'une source radioactive de radium, inventant ainsi la première batterie atomique, bien qu'il ait été incapable de produire le 1 MeV nécessaire pour arrêter les particules.
En 1913, Moseley a observé et mesuré les spectres de rayons X de divers éléments chimiques, principalement des métaux, qui ont été trouvés par la méthode de diffraction par des cristaux. Il s'agissait d'un usage avant-gardiste de la méthode de spectroscopie des rayons X en physique, utilisant la loi de diffraction de Bragg pour déterminer les longueurs d'onde des rayons X. Moseley a découvert une relation mathématique systématique entre les longueurs d'onde des rayons X produits et les numéros atomiques des métaux utilisés comme cibles dans les tubes à rayons X. Ceci est devenu connu sous le nom de loi de Moseley.
Avant la découverte de Moseley, les numéros atomiques ou numéros élémentaires d'un élément avaient été considérés comme un numéro séquentiel semi-arbitraire, basé sur la séquence des masses atomiques, mais modifié quelque peu quand les chimistes trouvaient cette modification souhaitable, comme par le chimiste russe Dmitri Ivanovich Mendeleev. Dans son invention du Tableau périodique des éléments, Mendeleev avait interchangé les ordres de quelques paires d'éléments afin de les placer dans des places plus appropriées dans ce tableau des éléments. Par exemple, les métaux cobalt et nickel s'étaient vu attribuer les numéros atomiques 27 et 28, respectivement, basés sur leurs propriétés chimiques et physiques connues, même s'ils ont des masses atomiques presque identiques. En fait, la masse atomique du cobalt est légèrement supérieure à celle du nickel, ce qui les aurait placés dans un ordre inverse s'ils avaient été placés dans le tableau périodique aveuglément selon la masse atomique. Les expériences de Moseley en spectroscopie des rayons X ont montré directement à partir de leur physique que le cobalt et le nickel ont des numéros atomiques différents, 27 et 28, et qu'ils sont placés correctement dans le tableau périodique selon les mesures objectives de Moseley de leurs numéros atomiques. Par conséquent, la découverte de Moseley a démontré que les numéros atomiques des éléments ne sont pas simplement des nombres plutôt arbitraires basés sur la chimie et l'intuition des chimistes, mais plutôt, ils ont une base expérimentale solide provenant de la physique de leurs spectres de rayons X.
De plus, Moseley a montré qu'il y avait des lacunes dans la séquence des numéros atomiques aux numéros 43, 61, 72 et 75. Ces espaces sont maintenant connus, respectivement, pour être les places des éléments synthétiques radioactifs technétium et prométhium, ainsi que les deux derniers éléments stables naturels assez rares hafnium découvert 1923 et rhénium découvert 1925. Rien n'était connu sur ces quatre éléments de son vivant, pas même leur existence même. Basée sur l'intuition d'un chimiste très expérimenté, Dmitri Mendeleev avait prédit l'existence d'un élément manquant dans le tableau périodique, qui s'est avéré être rempli par le technétium, et Bohuslav Brauner avait prédit l'existence d'un autre élément manquant dans ce tableau, qui s'est avéré être rempli par le prométhium. Les expériences de Henry Moseley ont confirmé ces prédictions, en montrant exactement quels étaient les numéros atomiques manquants, 43 et 61. De plus, Moseley a prédit l'existence de deux éléments de plus non découverts, ceux avec les numéros atomiques 72 et 75, et a fourni des preuves très solides qu'il n'y avait pas d'autres lacunes dans le tableau périodique entre les éléments aluminium numéro atomique 13 et or numéro atomique 79.
Cette dernière question sur la possibilité de plus d'« éléments manquants » non découverts avait été un problème en suspens parmi les chimistes du monde, particulièrement compte tenu de l'existence de la grande famille de la série des lanthanides des éléments de terres rares. Moseley a pu démontrer que ces éléments lanthanides, c'est-à-dire du lanthane au lutécium, doivent avoir exactement 15 membres – ni plus ni moins. Le nombre d'éléments dans les lanthanides avait été une question qui était très loin d'être réglée par les chimistes du début du XXe siècle. Ils ne pouvaient pas encore produire des échantillons purs de tous les éléments des terres rares, même sous forme de leurs sels, et dans certains cas, ils étaient incapables de distinguer les mélanges de deux éléments des terres rares adjacents très similaires des métaux purs à proximité du tableau périodique. Par exemple, il y avait un soi-disant « élément » qui s'était même vu attribuer le nom chimique de « didyme ». Le « didyme » s'est avéré quelques années plus tard être simplement un mélange de deux véritables éléments des terres rares, et on leur a donné les noms néodyme et praséodyme, signifiant « nouveau jumeau » et « jumeau vert ». De plus, la méthode de séparation des éléments des terres rares par la méthode de l'échange d'ions n'avait pas encore été inventée à l'époque de Moseley.
La méthode de Moseley en spectroscopie précoce des rayons X a pu résoudre rapidement les problèmes chimiques ci-dessus, dont certains avaient occupé les chimistes pendant plusieurs années. Moseley a également prédit l'existence de l'élément 61, un lanthanide dont l'existence n'avait pas été soupçonnée auparavant. Quelques années plus tard, cet élément 61 a été créé artificiellement dans les réacteurs nucléaires et a été nommé prométhium.
Contribution à la compréhension de l'atome
Avant Moseley et sa loi, les numéros atomiques avaient été considérés comme un numéro d'ordonnancement semi-arbitraire, augmentant vaguement avec la masse atomique mais non strictement défini par celle-ci. La découverte de Moseley a montré que les numéros atomiques n'étaient pas attribués arbitrairement, mais plutôt, ils ont une base physique définie. Moseley a postulé que chaque élément successif a une charge nucléaire exactement une unité supérieure à celle de son prédécesseur. Moseley a redéfini l'idée des numéros atomiques de son statut antérieur d'étiquette numérique ad hoc pour aider au tri des éléments en une séquence exacte de numéros atomiques ascendants qui rendaient le tableau périodique exact. Cela devait être par la suite la base du principe Aufbau dans les études atomiques. Comme l'a noté Bohr, la loi de Moseley a fourni un ensemble de données expérimentales assez complet qui soutenait la nouvelle conception de 1911 par Ernest Rutherford et Antonius van den Broek de l'atome, avec un noyau positivement chargé entouré d'électrons chargés négativement dans lequel le numéro atomique est compris comme le nombre physique exact de charges positives plus tard découvert et appelé protons dans les noyaux atomiques centraux des éléments. Moseley a mentionné les deux scientifiques ci-dessus dans son article de recherche, mais il n'a pas vraiment mentionné Bohr, qui était plutôt nouveau sur la scène à l'époque. De simples modifications des formules de Rydberg et de Bohr se sont avérées donner une justification théorique à la loi empiriquement dérivée de Moseley pour déterminer les numéros atomiques.
Utilisation du spectromètre à rayons X
Les spectromètres à rayons X sont les pierres de fondation de la cristallographie aux rayons X. Les spectromètres à rayons X tels que Moseley les connaissait fonctionnaient comme suit. Un tube électronique en ampoule de verre a été utilisé, similaire à celui tenu par Moseley dans la photo ici. À l'intérieur du tube évacué, des électrons ont été tirés sur une substance métallique, c'est-à-dire un échantillon d'élément pur dans le travail de Moseley, provoquant l'ionisation des électrons des couches électroniques internes de l'élément. Le rebond des électrons dans ces trous dans les coquilles internes provoque ensuite l'émission de photons de rayons X qui ont été conduits hors du tube dans un semi-faisceau, à travers une ouverture dans le blindage externe des rayons X. Ceux-ci ont ensuite été diffractés par un cristal de sel standardisé, avec des résultats angulaires lus comme des lignes photographiques par l'exposition d'un film de rayons X fixé à l'extérieur du tube à vide à une distance connue. L'application de la loi de Bragg après une certaine supposition initiale sur les distances moyennes entre les atomes dans le cristal métallique, basée sur sa densité, a ensuite permis de calculer la longueur d'onde des rayons X émis.
Moseley a participé à la conception et au développement des premiers équipements de spectrométrie des rayons X, apprenant certaines techniques de William Henry Bragg et William Lawrence Bragg à l'Université de Leeds, et en développant d'autres lui-même. Bon nombre des techniques de spectroscopie des rayons X ont été inspirées par les méthodes utilisées avec les spectroscopes et les spectrogrammes de lumière visible, en remplaçant les cristaux, les chambres d'ionisation et les plaques photographiques par leurs analogues en spectroscopie de lumière. Dans certains cas, Moseley a trouvé nécessaire de modifier son équipement pour détecter des rayons X particulièrement mous qui ne pouvaient pas pénétrer ni l'air ni le papier, en travaillant avec ses instruments dans une chambre à vide.
Mort et conséquences
Quelque part dans la première moitié de 1914, Moseley a démissionné de son poste à Manchester, avec l'intention de retourner à Oxford et de poursuivre ses recherches en physique là-bas. Cependant, la Première Guerre mondiale a éclaté en août 1914, et Moseley a refusé cette offre d'emploi pour s'engager plutôt avec les Royal Engineers de l'armée britannique. Sa famille et ses amis ont essayé de le persuader de ne pas s'engager, mais il pensait que c'était son devoir. Moseley a servi comme officier technique en communications lors de la bataille de Gallipoli, en Turquie, à partir d'avril 1915, où il a été tué au combat le 10 août 1915. Moseley a été tué d'une balle à la tête par un tireur d'élite turc alors qu'il téléphonait un ordre militaire.
À seulement vingt-sept ans au moment de sa mort, Moseley aurait pu, selon l'opinion de certains scientifiques, contribuer beaucoup aux connaissances sur la structure atomique s'il avait survécu. Niels Bohr a déclaré en 1962 que le travail de Rutherford « n'avait pas du tout été pris au sérieux » et que le « grand changement venait de Moseley ».
Robert Millikan a écrit : « Dans une recherche qui est destinée à être classée parmi les une douzaine de plus brillantes en conception, habiles en exécution et illuminantes en résultats dans l'histoire de la science, un jeune homme de vingt-six ans a ouvert les fenêtres par lesquelles nous pouvons entrevoir le monde sub-atomique avec une certitude et une netteté jamais imaginées auparavant. Si la guerre européenne n'avait eu d'autre résultat que d'éteindre cette jeune vie, cela seul l'aurait rendue l'un des crimes les plus hideux et les plus irréparables de l'histoire. »
George Sarton a écrit : « Sa célébrité était déjà établie sur une fondation si sûre que sa mémoire restera verte
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