Negli ultimi quattro giorni ho ottenuto i (risultati) forniti da Tantalio, Cromo, Manganese, Ferro, Nichel, Cobalto e Rame ... Il risultato principale è che ... il risultato per qualsiasi metallo (è) abbastanza facile da indovinare dai risultati per gli altri. Questo mostra che gli interni di tutti gli atomi sono molto simili, e da questi risultati sarà possibile scoprire qualcosa di ciò di cui sono composti gli interni.
Henry Gwyn Jeffreys Moseley era un fisico inglese, il cui contributo alla scienza della fisica è stata la giustificazione dalle leggi fisiche del concetto precedente empirico e chimico del numero atomico. Ciò derivò dal suo sviluppo della legge di Moseley negli spettri dei raggi X.
La legge di Moseley ha fatto avanzare la fisica atomica, la fisica nucleare e la fisica quantistica fornendo la prima evidenza sperimentale a favore della teoria di Niels Bohr, a parte lo spettro dell'atomo di idrogeno che la teoria di Bohr era progettata per riprodurre. Quella teoria ha perfezionato il modello di Ernest Rutherford e Antonius van den Broek, che proponeva che l'atomo contenga nel suo nucleo un numero di cariche nucleari positive pari al suo numero atomico nella tavola periodica. Questo rimane il modello accettato oggi.
Quando la prima guerra mondiale scoppiò nell'Europa occidentale, Moseley abbandonò il suo lavoro di ricerca presso l'Università di Oxford per fare volontariato nei Royal Engineers dell'esercito britannico. Moseley fu assegnato alla forza di soldati dell'Impero britannico che invasero la regione di Gallipoli, Turchia, nell'aprile 1915, come ufficiale di telecomunicazioni. Moseley fu colpito e ucciso durante la battaglia di Gallipoli il 10 agosto 1915, all'età di 27 anni. Gli esperti hanno ipotizzato che Moseley avrebbe potuto essere insignito del Premio Nobel per la Fisica nel 1916.
Biografia
Henry G. J. Moseley, conosciuto dai suoi amici come Harry, è nato a Weymouth nel Dorset nel 1887. Suo padre Henry Nottidge Moseley 1844–1891, che morì quando Moseley era ancora molto giovane, era un biologo e anche professore di anatomia e fisiologia presso l'Università di Oxford, che era stato membro della Challenger Expedition. La madre di Moseley era Amabel Gwyn Jeffreys, figlia del biologo e conchiologo gallese John Gwyn Jeffreys. Era anche la campionessa britannica di scacchi nel 1913.
Moseley era stato un alunno molto promettente alla Summer Fields School dove una delle quattro "leghe" porta il suo nome, e gli fu assegnata una King's scholarship per frequentare l'Eton College. Nel 1906 vinse i premi di chimica e fisica a Eton. Nel 1906, Moseley entrò al Trinity College dell'Università di Oxford, dove conseguì la laurea. Durante i suoi studi universitari a Oxford, Moseley si unì all'Apollo University Lodge. Immediatamente dopo la laurea da Oxford nel 1910, Moseley divenne dimostratore di fisica presso l'Università di Manchester sotto la supervisione di Sir Ernest Rutherford. Durante il primo anno di Moseley a Manchester, aveva un carico di insegnamento come assistente insegnante laureato, ma dopo quel primo anno, fu riassegnato dai suoi compiti di insegnamento per lavorare come assistente di ricerca laureato. Ha rifiutato una borsa di studio offerta da Rutherford, preferendo tornare a Oxford nel novembre 1913, dove gli furono fornite strutture di laboratorio ma nessun supporto.
Lavoro scientifico
Sperimentando con l'energia delle particelle beta nel 1912, Moseley dimostrò che potenziali elevati erano ottenibili da una fonte radioattiva di radio, inventando così la prima batteria atomica, anche se non riuscì a produrre l'1 MeV necessario per fermare le particelle.
Nel 1913, Moseley osservò e misurò gli spettri dei raggi X di vari elementi chimici, per lo più metalli, trovati tramite il metodo di diffrazione attraverso cristalli. Questo era un uso pionieristico del metodo della spettroscopia dei raggi X in fisica, utilizzando la legge di diffrazione di Bragg per determinare le lunghezze d'onda dei raggi X. Moseley scoprì una relazione matematica sistematica tra le lunghezze d'onda dei raggi X prodotti e i numeri atomici dei metalli utilizzati come target nei tubi dei raggi X. Questo è diventato noto come legge di Moseley.
Prima della scoperta di Moseley, i numeri atomici o i numeri elementari di un elemento erano considerati come un numero sequenziale semi-arbitrario, basato sulla sequenza delle masse atomiche, ma modificato un po' dove i chimici trovavano desiderabile questa modifica, come il chimico russo Dmitri Ivanovich Mendeleev. Nella sua invenzione della Tavola periodica degli elementi, Mendeleev aveva scambiato l'ordine di alcune coppie di elementi per metterli in posti più appropriati in questa tavola degli elementi. Ad esempio, i metalli cobalto e nichel erano stati assegnati ai numeri atomici 27 e 28, rispettivamente, in base alle loro proprietà chimiche e fisiche note, anche se hanno quasi le stesse masse atomiche. In realtà, la massa atomica del cobalto è leggermente maggiore di quella del nichel, che li avrebbe collocati in ordine inverso se fossero stati collocati nella Tavola periodica ciecamente secondo la massa atomica. Gli esperimenti di Moseley sulla spettroscopia dei raggi X mostrarono direttamente dalla loro fisica che cobalto e nichel hanno diversi numeri atomici, 27 e 28, e che sono collocati correttamente nella Tavola periodica dalle misurazioni obiettive di Moseley dei loro numeri atomici. Quindi, la scoperta di Moseley ha dimostrato che i numeri atomici degli elementi non sono solo numeri piuttosto arbitrari basati sulla chimica e sull'intuizione dei chimici, ma piuttosto, hanno una solida base sperimentale dalla fisica dei loro spettri di raggi X.
Inoltre, Moseley ha mostrato che c'erano lacune nella sequenza del numero atomico ai numeri 43, 61, 72 e 75. Questi spazi sono ora noti, rispettivamente, come i posti degli elementi sintetici radioattivi tecnezio e promezio, e anche gli ultimi due elementi naturali stabili piuttosto rari afnio scoperto nel 1923 e renio scoperto nel 1925. Nulla era noto su questi quattro elementi durante la vita di Moseley, nemmeno la loro stessa esistenza. Basandosi sull'intuizione di un chimico molto esperto, Dmitri Mendeleev aveva previsto l'esistenza di un elemento mancante nella Tavola periodica, che fu successivamente trovato essere riempito dal tecnezio, e Bohuslav Brauner aveva previsto l'esistenza di un altro elemento mancante in questa tavola, che fu successivamente trovato essere riempito dal promezio. Gli esperimenti di Henry Moseley confermarono queste previsioni, mostrando esattamente quali fossero i numeri atomici mancanti, 43 e 61. Inoltre, Moseley predisse l'esistenza di altri due elementi non ancora scoperti, quelli con i numeri atomici 72 e 75, e fornì prove molto forti che non ci fossero altre lacune nella Tavola periodica tra gli elementi alluminio numero atomico 13 e oro numero atomico 79.
Questa ultima questione sulla possibilità di altri elementi "mancanti" non ancora scoperti era stato un problema persistente tra i chimici del mondo, in particolare data l'esistenza della grande famiglia della serie dei lantanidi degli elementi terre rare. Moseley riuscì a dimostrare che questi elementi lantanidi, cioè lantanio fino al lutezio, dovevano avere esattamente 15 membri - né più né meno. Il numero di elementi nei lantanidi era stata una questione che era molto lontana dall'essere risolta dai chimici dei primi del XX secolo. Non potevano ancora produrre campioni puri di tutti gli elementi terre rare, nemmeno nella forma dei loro sali, e in alcuni casi non riuscivano a distinguere tra miscele di due elementi terre rare molto simili e adiacenti dai metalli puri vicini nella Tavola periodica. Ad esempio, c'era un cosiddetto "elemento" a cui fu anche dato il nome chimico di "didimio". Il "didimio" fu scoperto alcuni anni dopo essere semplicemente una miscela di due genuini elementi terre rare, e questi furono dati i nomi neodimio e praseodimio, significando "gemello nuovo" e "gemello verde". Inoltre, il metodo di separazione degli elementi terre rare mediante il metodo dello scambio ionico non era ancora stato inventato al tempo di Moseley.
Il metodo di Moseley nella spettroscopia dei raggi X iniziale è stato in grado di risolvere prontamente i problemi chimici di cui sopra, alcuni dei quali avevano occupato i chimici per un numero di anni. Moseley ha anche previsto l'esistenza dell'elemento 61, un lantanide la cui esistenza era precedentemente insospettata. Parecchi anni dopo, questo elemento 61 è stato creato artificialmente nei reattori nucleari e è stato denominato promezio.
Contributo alla comprensione dell'atomo
Prima di Moseley e della sua legge, i numeri atomici erano considerati come un numero di ordinamento semi-arbitrario, vagamente crescente con il peso atomico ma non strettamente definito da esso. La scoperta di Moseley ha mostrato che i numeri atomici non erano assegnati arbitrariamente, ma piuttosto, hanno una base fisica definita. Moseley ha postulato che ogni elemento successivo ha una carica nucleare esattamente un'unità maggiore del suo predecessore. Moseley ha ridefinito l'idea dei numeri atomici dal suo precedente status di etichetta numerica ad hoc per aiutare l'ordinamento degli elementi in una sequenza esatta di numeri atomici ascendenti che ha reso la Tavola periodica esatta. Questo doveva essere in seguito la base del principio di Aufbau negli studi atomici. Come notato da Bohr, la legge di Moseley ha fornito un insieme di dati sperimentali ragionevolmente completo che ha supportato la nuova concezione dal 1911 da Ernest Rutherford e Antonius van den Broek dell'atomo, con un nucleo carico positivamente circondato da elettroni caricati negativamente in cui il numero atomico è compreso come il numero fisico esatto di cariche positive successivamente scoperte e chiamate protoni nei nuclei atomici centrali degli elementi. Moseley ha menzionato i due scienziati di cui sopra nel suo documento di ricerca, ma non ha effettivamente menzionato Bohr, che era piuttosto nuovo sulla scena allora. Semplici modifiche delle formule di Rydberg e Bohr sono state trovate per dare giustificazione teorica alla legge derivata empiricamente da Moseley per determinare i numeri atomici.
Uso dello spettrometro a raggi X
Gli spettrometri a raggi X sono le pietre fondamentali della cristallografia ai raggi X. Gli spettrometri a raggi X come Moseley li conosceva funzionavano nel seguente modo. È stato utilizzato un tubo elettronico a bulbo di vetro, simile a quello tenuto da Moseley nella foto qui. All'interno del tubo evacuato, gli elettroni sono stati sparati contro una sostanza metallica, cioè un campione di elemento puro nel lavoro di Moseley, causando l'ionizzazione di elettroni dai gusci di elettroni interni dell'elemento. Il rimbalzo degli elettroni in questi buchi nei gusci interni successivamente causa l'emissione di fotoni a raggi X che sono stati condotti fuori dal tubo in un semi-fascio, attraverso un'apertura nello schermo a raggi X esterno. Questi sono successivamente diffratti da un cristallo di sale standardizzato, con risultati angolari letti come linee fotografiche dall'esposizione di una pellicola a raggi X fissata all'esterno del tubo a vuoto a una distanza nota. L'applicazione della legge di Bragg dopo alcuni indovini iniziali delle distanze medie tra gli atomi nel cristallo metallico, basato sulla sua densità, ha successivamente permesso il calcolo della lunghezza d'onda dei raggi X emessi.
Moseley ha partecipato alla progettazione e allo sviluppo delle prime apparecchiature di spettrometria a raggi X, imparando alcune tecniche da William Henry Bragg e William Lawrence Bragg presso l'Università di Leeds, e sviluppandone altre lui stesso. Molte delle tecniche della spettroscopia dei raggi X sono state ispirate dai metodi utilizzati con spettroscopi e spettrogrammi di luce visibile, sostituendo cristalli, camere di ionizzazione e lastre fotografiche ai loro analoghi nella spettroscopia della luce. In alcuni casi, Moseley ha trovato necessario modificare le sue apparecchiature per rilevare raggi X particolarmente soft che non potevano penetrare né aria né carta, lavorando con i suoi strumenti in una camera a vuoto.
Morte e conseguenze
Qualche volta nella prima metà del 1914, Moseley si dimise dalla sua posizione a Manchester, con piani di tornare a Oxford e continuare la sua ricerca di fisica lì. Tuttavia, la prima guerra mondiale scoppiò nell'agosto 1914, e Moseley ha rifiutato questa offerta di lavoro per arruolarsi invece nei Royal Engineers dell'esercito britannico. La sua famiglia e i suoi amici hanno cercato di persuaderlo a non unirsi, ma pensava fosse suo dovere. Moseley ha servito come ufficiale tecnico in comunicazioni durante la battaglia di Gallipoli, in Turchia, a partire dall'aprile 1915, dove è stato ucciso in azione il 10 agosto 1915. Moseley è stato colpito alla testa da un cecchino turco mentre faceva una chiamata telefonica per un ordine militare.
A soli ventisette anni al momento della sua morte, Moseley avrebbe potuto, secondo l'opinione di alcuni scienziati, contribuire molto alla conoscenza della struttura atomica se fosse sopravvissuto. Niels Bohr disse nel 1962 che il lavoro di Rutherford "non era preso sul serio affatto" e che il "grande cambiamento venne da Moseley".
Robert Millikan ha scritto: "In una ricerca che è destinata a rientrare tra le una dozzina più brillanti in concezione, abile nell'esecuzione e illuminante nei risultati nella storia della scienza, un giovane di ventiseienne anni ha aperto le finestre attraverso le quali possiamo scorgere il mondo subatomico con una definitezza e certezza mai sognate prima. Se la guerra europea non avesse avuto altro risultato che lo spegnimento di questa giovane vita, questo solo la renderebbe uno dei crimini più orribili e più irreparabili della storia".
George Sarton ha scritto: "La sua fama era già stabilita su una fondazione così sicura che la sua memoria sarà verde
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