Henry Moseley

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在过去的四天里,我已经得到了钽、铬、锰、铁、镍、钴和铜给出的(结果)……主要成果是……任何金属的结果(都)很容易从其他金属的结果推断出来。这表明所有原子的内部非常相似,从这些结果将有可能找出内部由什么组成。

Henry Gwyn Jeffreys Moseley是一位英国物理学家,他对物理学科学的贡献是从物理规律证实了原子序数这一先前的经验化学概念。这源于他对Moseley定律在X射线谱中的发展。

Moseley定律通过为Niels Bohr理论提供第一个实验证据(除了Bohr理论被设计来重现的氢原子光谱外),推进了原子物理、核物理和量子物理的发展。该理论改进了Ernest Rutherford和Antonius van den Broek的模型,该模型提出原子的原子核中含有多个正核电荷,其数量等于元素在元素周期表中的原子序数。这仍然是当今公认的模型。

当第一次世界大战在西欧爆发时,Moseley离开了他在Oxford大学的研究工作,自愿加入英国陆军皇家工程兵团。1915年4月,Moseley被派往入侵土耳其Gallipoli地区的英帝国士兵部队,担任电信官。Moseley在1915年8月10日的Gallipoli战役中被枪杀,时年27岁。专家推测Moseley本可能在1916年获得诺贝尔物理学奖。

生平

Henry G. J. Moseley,他的朋友们称他为Harry,1887年出生在Dorset的Weymouth。他的父亲Henry Nottidge Moseley(1844–1891)在Moseley还很年轻时去世,是一位生物学家,也是Oxford大学解剖学和生理学教授,曾是Challenger探险队的成员。Moseley的母亲是Amabel Gwyn Jeffreys,是威尔士生物学家和贝类学家John Gwyn Jeffreys的女儿。她也是1913年英国女性国际象棋冠军。

Moseley在Summer Fields School是一个非常有前景的中学生,该校的四个"分部"中有一个以他的名字命名,他获得了国王奖学金以进入Eton College。1906年他在Eton赢得了化学和物理奖。1906年,Moseley进入Oxford大学Trinity学院,在那里获得了学士学位。在Oxford的本科期间,Moseley加入了Apollo大学分会。1910年从Oxford毕业后,Moseley立即成为Manchester大学物理系的讲师,师从Sir Ernest Rutherford。在Moseley在Manchester的第一年,他担任研究生助教教学工作,但在第一年之后,他从教学职位被重新分配到担任研究生研究助手。他拒绝了Rutherford提供的奖学金,更愿意在1913年11月搬回Oxford,在那里他获得了实验室设施但没有经费支持。

科学工作

1912年在进行β粒子能量实验时,Moseley证明了从放射性镭源可以获得高电位,从而发明了第一个原子电池,尽管他无法产生停止粒子所必需的1MeV。

1913年,Moseley观察并测量了各种化学元素(主要是金属)的X射线谱,这些元素是通过晶体衍射方法发现的。这是X射线光谱学在物理学中的先驱性使用,使用Bragg衍射定律来确定X射线波长。Moseley发现了产生的X射线的波长与用作X射线管中靶的金属原子序数之间的系统数学关系。这后来被称为Moseley定律。

在Moseley的发现之前,元素的原子序数或元素序数被认为是一个半任意的序列号,基于原子质量的序列,但在化学家认为有必要修改的地方,如俄罗斯化学家Dmitri Ivanovich Mendeleev所做的那样进行了修改。在他发明元素周期表时,Mendeleev交换了几对元素的顺序,以将其放在元素表中更合适的位置。例如,钴和镍金属根据已知的化学和物理性质分别被赋予原子序数27和28,尽管它们的原子质量几乎相同。事实上,钴的原子质量略大于镍的原子质量,如果它们根据原子质量盲目地放在周期表中,就会将其放在倒序的位置。Moseley的X射线光谱学实验直接从物理学角度表明钴和镍具有不同的原子序数27和28,并且它们在周期表中的位置正确,符合Moseley对其原子序数的客观测量。因此,Moseley的发现表明元素的原子序数不仅仅是基于化学和化学家直觉的相当任意的数字,而是具有来自其X射线谱的物理学的坚实实验基础。

此外,Moseley表明原子序数序列中在43、61、72和75处存在间隙。这些空间现在分别已知为放射性合成元素锝和钷的位置,以及最后两个相当稀有的天然存在的稳定元素铪(1923年发现)和铼(1925年发现)的位置。在Moseley的有生之年,这四个元素中没有任何已知信息,甚至不知道它们的存在。基于经验丰富的化学家Dmitri Mendeleev的直觉,他预测了周期表中缺失元素的存在,后来被发现由锝填充,而Bohuslav Brauner预测了这个表中另一个缺失元素的存在,后来被发现由钷填充。Henry Moseley的实验通过准确显示缺失的原子序数43和61确认了这些预测。此外,Moseley预测了两个更多未发现元素的存在,即原子序数为72和75的那些,并提供了强有力的证据,表明铝原子序数13和金原子序数79之间的元素不存在其他间隙。

这个关于更多未发现的"缺失"元素可能性的后一个问题在当时世界化学家中是一个悬而未决的问题,特别是考虑到镧系列稀土元素家族的存在。Moseley能够证明这些镧系元素,即镧到镥,必须恰好有15个成员——不多也不少。镧系中元素数量对于20世纪初的化学家来说是一个远未解决的问题。他们甚至无法生产所有稀土元素的纯样品,即使是其盐的形式,在某些情况下,他们无法区分两个非常相似的相邻稀土元素的混合物与周期表中附近的纯金属。例如,有一种所谓的"元素"甚至被赋予了"镝"的化学名称。"镝"在几年后被发现只是两种真正稀土元素的混合物,这两种元素被命名为钕和镨,意思是"新孪生"和"绿孪生"。此外,用离子交换方法分离稀土元素的方法在Moseley的时代还没有被发明。

Moseley在早期X射线光谱学中的方法能够迅速解决上述化学问题,其中一些已经困扰化学家多年。Moseley也预测了元素61的存在,这是一种镧系元素,其存在以前未被怀疑。几年后,这种元素61在核反应堆中被人工制造出来,并被命名为钷。

对原子理解的贡献

在Moseley及其定律之前,原子序数被认为是一个半任意的排序数字,虽然随着原子量的增加而模糊增加,但并没有严格由它定义。Moseley的发现表明原子序数不是任意分配的,而是具有明确的物理基础。Moseley假设每个连续元素的核电荷恰好比其前体大一个单位。Moseley将原子序数从其先前作为帮助将元素分类为特定顺序的临时数字标签的地位重新定义为原子序数的精确序列,使周期表精确。这后来成为原子研究中Aufbau原理的基础。正如Bohr所指出的,Moseley定律提供了相当完整的实验数据集,支持了Ernest Rutherford和Antonius van den Broek从1911年开始的关于原子的新概念,即一个正电荷的原子核被带负电的电子包围,其中原子序数被理解为原子核中正电荷的精确物理数量,后来被发现并称为质子。Moseley在其研究论文中提到了上述两位科学家,但他实际上没有提到Bohr,他当时还相当新进。Rydberg和Bohr公式的简单修改被发现可以为Moseley的经验推导的确定原子序数定律提供理论依据。

X射线光谱仪的使用

X射线光谱仪是X射线晶体学的基础。Moseley所了解的X射线光谱仪的工作原理如下。使用了一个玻璃泡电子管,类似于Moseley在这里的照片中所持的那个。在抽真空的管内,电子被发射到金属物质(即Moseley工作中的纯元素样品)上,导致该元素内层电子的电离。电子反弹进入内层的这些孔隙随后会导致X射线光子的发射,这些光子通过外部X射线屏蔽中的开口从管中以半束的形式引出。接下来,这些光子被标准化盐晶体衍射,角度结果通过暴露固定在真空管外已知距离处的X射线胶片作为摄影线读出。在根据金属晶体的密度对原子之间的平均距离进行一些初始猜测后应用Bragg定律,随后可以计算发射的X射线的波长。

Moseley在Balliol-Trinity学院实验室,毕业后不久。

Moseley参与了早期X射线光谱学设备的设计和开发,向William Henry Bragg和William Lawrence Bragg在Leeds大学学习了一些技术,并自己开发了其他技术。许多X射线光谱学技术受到了与可见光分光镜和分光仪使用的方法的启发,用晶体、电离室和感光板代替了它们在光谱学中的对应物。在某些情况下,Moseley发现有必要修改他的设备以检测特别软的X射线,这些X射线无法穿透空气或纸张,通过在真空室中使用他的仪器来实现。

去世与后续

在1914年上半年的某个时候,Moseley从他在Manchester的职位辞职,计划回到Oxford继续他的物理研究。但是,第一次世界大战在1914年8月爆发,Moseley拒绝了这个工作机会,转而与英国陆军皇家工程兵团一起参军。他的家人和朋友试图劝阻他不要参加,但他认为这是他的责任。Moseley在1915年4月开始的土耳其Gallipoli战役期间担任通信技术官,并在1915年8月10日被击毙。Moseley在电话传达军事命令时被土耳其狙击手射中头部。

Moseley在去世时仅二十七岁,在一些科学家看来,如果他活了下来,本可能对原子结构知识做出很大贡献。Niels Bohr在1962年说,Rutherford的工作"根本没有被认真对待","伟大的变化来自Moseley"。

Robert Millikan写道,"在一项注定要在科学史上被列为最杰出的十来项研究之一的研究中,一个二十六岁的年轻人打开了窗户,通过这些窗户我们可以以前所未有的清晰和确定性瞥见亚原子世界。如果欧洲战争没有其他结果,仅仅扼杀了这个年轻的生命,那也会使其成为历史上最令人厌恶和最不可弥补的罪行之一。"

2007年由英国皇家化学学会在Oxford Clarendon实验室的Townsend大楼竖立的蓝色纪念牌

George Sarton写道,"他的名声已经建立在如此牢固的基础之上,以至于他的记忆将永远闪闪发光

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