Кіріспе
Ағылшын физигі Генри Гвин Джеффрис Мозли (ағылш. Henry Gwyn Jeffreys Moseley; 23 қараша 1887 – 10 тамыз 1915) – ағылшын физигі, физика ғылымына қосқан ең маңызды үлесі – атомдық сан туралы бұрынғы эмпирикалық және химиялық түсініктерді физикалық заңдармен негіздеу болды. Бұл рентген сәулелері спектріндегі Мозли заңының дамуының нәтижесінде туындады. Мозли заңы атомдық физика, ядролық физика және кванттық физика салаларын дамытуға ықпал етті, Нильс Бордың теориясын қолдайтын алғашқы тәжірибелік дәлелдерді ұсынды. Бор теориясы сутек атомының спектрін қайта жаңғырту мақсатымен жасалған еді. Бұл теория Эрнест Резерфорд пен Антониус ван ден Бруктың атомның ядросында оның периодтық кестедегі санына тең оң ядролық зарядтар бар деген моделін жетілдірді. Бірінші дүниежүзілік соғыс Батыс Еуропада басталғанда, Мозли Оксфорд университетіндегі зерттеу жұмысын тоқтатты және Британ армиясының Корольдік инженерлеріне ерікті болып қосылды. 1915 жылдың сәуір айында Мозли телекоммуникация офицері ретінде Түркияның Галлиполи аймағына шабуыл жасаған Британ империясы әскерлерінің құрамында болды. Мозли 1915 жылдың 10 тамызында Галлиполи шайқасында 27 жасында қаза тапты. Сарапшылар Мозлидің 1916 жылы физика саласындағы Нобель сыйлығына ие болуы мүмкін еді деп болжайды.
Henry Gwyn Jeffreys Moseley ('/m//oʊ//z//l//i/; 23 November 1887 – 10 August 1915) was an English physicist, whose contribution to the science of physics was the justification from physical laws of the previous empirical and chemical concept of the atomic number. This stemmed from his development of Moseley's law in X ray spectra. Moseley's law advanced atomic physics, nuclear physics and quantum physics by providing the first experimental evidence in favour of Niels Bohr's theory, aside from the hydrogen atom spectrum which the Bohr theory was designed to reproduce. That theory refined Ernest Rutherford's and Antonius van den Broek's model, which proposed that the atom contains in its nucleus a number of positive nuclear charges that is equal to its (atomic) number in the periodic table. When World War I broke out in Western Europe, Moseley left his research work at the University of Oxford behind to volunteer for the Royal Engineers of the British Army. Moseley was assigned to the force of British Empire soldiers that invaded the region of Gallipoli, Turkey, in April 1915, as a telecommunications officer. Moseley was shot and killed during the Battle of Gallipoli on 10 August 1915, at the age of 27. Experts have speculated that Moseley could otherwise have been awarded the Nobel Prize in Physics in 1916.
Өмірбаян
Генри Г. Дж. Мозли, достары Гарри деп атаған, 1887 жылы Дорсеттегі Уэймутт қаласында дүниеге келген. Оның әкесі Генри Ноттидж Мозли (1844–1891), Мозли өте жас кезінде қайтыс болған, биолог және Оксфорд университетінің анатомия және физиология профессоры, сонымен қатар «Челленджер» экспедициясының мүшесі болған. Мозлидің анасы – Уэльстің биологы және конхологы Джон Гвин Джеффристің қызы Амабель Гвин Джеффрис. Ол 1913 жылы шахматтан Ұлыбритания әйелдер чемпионатының жеңімпазы атанды. Мозли жазғы далалар мектебінде (ондағы төрт «лиганың» бірі оның атымен аталады) өте үміткер оқушы болған және оған Итон колледжінде оқуға Король стипендиясы берілді. 1906 жылы Итонде химия және физика пәнінен жүлде жеңіп алды. 1906 жылы Мозли Оксфорд университетінің Тринити колледжіне түсіп, бакалавр дәрежесін алды. Оксфордта оқып жүрген кезінде Мозли Аполлон университетінің ложасына қосылып, масон болды. 1910 жылы Оксфордты бітіргеннен кейін Мозли Манчестер университетінде физика пәнінен демонстратор болып жұмыс істеді. Мозлидің Манчестердегі алғашқы жылында ол аспирант-оқытушының көмекшісі ретінде оқыту жұмысын жүктеді, бірақ алғашқы жылдан кейін оқытушылық міндеттерінен босатылып, аспирант-зерттеушінің көмекшісі ретінде жұмыс істеуге ауыстырылды. Рутерфорд ұсынған стипендиядан бас тартып, 1913 жылдың қараша айында Оксфордқа қайта оралды, онда оған зертхана жабдықтары берілді, бірақ қаржылық қолдау көрсетілмеді.
Ғылыми жұмыс
1912 жылы бета-бөлшектердің энергиясымен тәжірибе жүргізу кезінде Мозли радийдің радиоактивті көзінен жоғары потенциалға қол жеткізуге болатынын көрсетті, осылайша алғашқы атомдық батареяны ойлап тапты, бірақ бөлшектерді тоқтату үшін қажетті 1 МВ-ты өндіре алмады. 1913 жылы Мозли әртүрлі химиялық элементтердің (көбінесе металдардың) рентген сәулелерінің спектрлерін бақылап, өлшеді, олар кристалдар арқылы дифракция әдісімен анықталған болатын. Бұл физикада рентгендік спектроскопия әдісін алғаш рет пайдалану болды, рентген толқындарының ұзындығын анықтау үшін Брэггтің дифракция заңы қолданылды. Мозли рентген сәулелерінің толқын ұзындығы мен рентген түтіктерінде нысана ретінде қолданылатын металдардың атомдық сандары арасындағы жүйелі математикалық байланысты тапты. Бұл байланыс Мозли заңы деп аталады. Мозлидің ашылуына дейін элементтің атомдық саны (немесе элементтік саны) атомдық массалар тізбегіне негізделген шартты реттік сан ретінде қарастырылды, бірақ химиктер бұл өзгерту қажет деп тапқан жағдайларда, мысалы, орыс химигі Дмитрий Иванович Менделеев жасаған өзгертулер енгізілді. Менделеев элементтердің периодтық кестесін жасағанда, элементтердің бірнеше жұбының орнын ауыстырып, оларды кестеде дұрыс орналастырды. Мысалы, кобальт және никель металдарының атомдық сандары 27 және 28 болып, олардың химиялық және физикалық қасиеттері белгілі болғандықтан, атомдық массалары шамалы ерекше болғанымен, атомдық нөмірлері 27 және 28 ретінде тағайындалды. Шындығында, кобальттың атомдық массасы никельдікінен сәл үлкен, сондықтан егер олар атомдық массаға сәйкес орналасса, никель периодтық кестеде кобальттан бұрын орналасатын болар еді. Алайда Мозлидің рентгендік спектроскопиядағы тәжірибелері физикалық тұрғыдан кобальт пен никельдің атомдық сандары 27 және 28 екенін және олар Мозлидің атомдық сандарын объективті өлшеулерімен периодтық кестеге дұрыс орналасқандығын көрсетті. Сондықтан Мозлидің ашылуы элементтердің атомдық саны химия мен химиктердің интуициясына негізделген шартты сандар емес екенін, керісінше, олардың рентген спектрлерінің физикасынан нақты тәжірибелік негізі бар екенін көрсетті. Бұдан басқа, Мозли 43, 61, 72 және 75 сандарының атомдық нөмірлер тізбегінде олқылықтар бар екенін көрсетті. Бұл кеңістіктер қазір радиоактивті синтетикалық элементтер – техноций мен прометийдің, сондай-ақ табиғатта сирек кездесетін екі тұрақты элемент – гафний (1923 жылы ашылған) және рений (1925 жылы ашылған) орналасқан жерлері екені белгілі. Мозлидің өмірінде бұл төрт элемент туралы ештеңе белгілі болмады, тіпті олардың бар екендігі де белгісіз еді. Тәжірибелі химиктің интуициясына сүйене отырып, Дмитрий Менделеев периодтық кестеде жоғалған элементтің бар екенін болжаған, кейін ол техноциймен толтырылған деп табылды, ал Бохуслав Брауннер осы кестеде жоғалған тағы бір элементтің бар екенін болжаған, кейін ол прометиймен толтырылған деп табылды. Генри Мозлидің эксперименттері осы болжамдарды растады, ол жоғалған атомдық нөмірлердің 43 және 61 екенін дәл көрсетті. Мұнан басқа, Мозли атомдық нөмірлері 72 және 75 элементтерінің бар екендігін болжап, периодтық кестеде алюминий (атомдық нөмірі 13) және алтын (атомдық нөмірі 79) элементтерінің арасында басқа да бос орындар жоқ екеніне мықты дәлел берді. Бұл соңғы сұрақ мүмкіндігінен көп табылмаған ("жоғалған") элементтердің болуы туралы әлемдік химиктер арасындағы тұрақты мәселе болды, әсіресе лантаноидтар сериясы сирек кездесетін элементтердің үлкен отбасының бар екені ескерілгенде. Мозли бұл лантаноид элементтерінің, яғни лантаннан лютецийге дейін, дәл 15 мүшеден тұруы керектігін көрсете алды. Лантаноидтардағы элементтердің саны ХХ ғасырдың басындағы химиктер үшін шешілмеген мәселе болды. Олар әлі күнге дейін барлық сирек кездесетін элементтердің таза үлгілерін, тіпті олардың тұздары түрінде де шығара алмады, ал кейбір жағдайларда олар екі өте ұқсас (жақын орналасқан) сирек кездесетін элементтердің қоспаларын периодтық кестедегі жақын жердегі таза металдардан ажырата алмады. Мысалы, "дидимий" деген химиялық атау берілген "элемент" бар еді. Кейіннен "дидимий" екі сирек кездесетін элементтің қоспасы екені анықталды, оларға "жаңа егіз" және "жасыл егіз" деген мағынаны білдіретін неодимий және празеодимий деген атаулар берілді. Сондай-ақ, Мозлидің кезінде ион алмасу әдісімен сирек кездесетін элементтерді бөлу әдісі әлі ойлап табылмаған еді. Мозлидің ерте рентгендік спектроскопиядағы әдісі жоғарыдағы химиялық мәселелерді жылдам шеше алды, олардың кейбіреулері химиктерді бірнеше жылдар бойы мазалады. Мозли сонымен қатар 61-элементтің бар екенін болжады, ол лантаноид, оның бар екені бұрын күдік тудырмаған. Біраз жылдардан кейін, бұл 61-элемент ядролық реакторларда жасанды түрде жасалды және прометий деп аталды.
Атомды түсінуге қосқан үлесі
Мозли мен оның заңынан бұрын атомдық сандар шартты түрдегі реттеу нөмірі ретінде қарастырылды, олар атомдық массамен байланысты біртегіс өсетін, бірақ оған қатаң бағынбаған. Мозлидің жаңалығы атомдық сандардың кездейсоқ берілмегенін, керісінше, олардың нақты физикалық негізі бар екенін көрсетті. Мозли әрбір келесі элементтің ядролық заряды алдыңғы элементінен дәл бір бірлік артық екенін тұжырымдады. Мозли атомдық сандар идеясын бұрынғы, элементтерді реттеуге көмектесетін жай ғана сандық белгі ретіндегі статусынан, Периодтық кестеде атомдық сандардың нақты өсу тізбегін құратын дәлдікке жеткізді. (Бұл кейін атомдық зерттеулердегі Aufbau қағидасының негізі болды.) Бордың айтуынша, Мозли заңы Эрнест Резерфорд пен Антониус ван ден Бруктың атом туралы (1911 жылдан бастап) жаңа тұжырымдамасын қолдайтын толық тәжірибелік деректер жиынтығын ұсынды. Атомдық сан – элементтердің орталық атом ядросындағы оң зарядтардың нақты физикалық саны, олар теріс зарядталған электрондармен қоршалған. Мозли зерттемесінде жоғарыда аталған екі ғалым туралы айтқан, бірақ сол кезде ғылымға жаңа келген Бор туралы есімдерін атамаған. Ридберг пен Бор формулаларының қарапайым өзгертулері Мозлидің эмпирикалық жолмен алынған атомдық сандарды анықтау заңына теориялық негіз берді.
Рентгендік спектрометрді қолдану
Рентгендік спектрометрлер – рентген кристаллографиясының негізгі құралдары. Мозли білгендей, рентгендік спектрометрлер былай жұмыс істеді. Мұнда Мозлидің қолындағы суреттегіге ұқсас шыны электрондық түтікше пайдаланылды. Эвакуацияланған түтікше ішінде электрондар металл затқа (яғни Мозли жұмысындағы таза элемент үлгісіне) бағытталды, бұл элементтің ішкі электрондық қабықтарынан электрондардың иондануына себеп болды. Электрондардың ішкі қабықтағы бос орындарға қайтуы сыртқы рентгендік қорғаныстың тесігі арқылы түтікшенің жартылай сәулесі түрінде шығарылған рентген фотондарының пайда болуына әкелді. Бұл рентген сәулелері стандартталған тұз кристаллымен дифракцияланды, бұрыштық нәтижелер белгілі бір қашықтықта вакуумдық түтікшенің сыртына орнатылған рентген пленкасына түсіріліп, фотосуреттік сызықтар түрінде оқылды. Брэгг заңының қолданылуы (металл кристаллындағы атомдар арасындағы орташа қашықтықты оның тығыздығына сүйене отырып, алдымен шамалаудан кейін) шығарылған рентген сәулелерінің толқын ұзындығын есептеуге мүмкіндік берді. Мозли алғашқы рентген спектрометриялық жабдықтарды жобалау және дамытуға қатысты, Лидс университетінде Уильям Генри Брэгг пен Уильям Лоуренс Брэггтен кейбір әдістерді үйреніп, ал қалғанын өзі әзірледі. Рентгендік спектроскопияның көптеген әдістері көзге көрінетін жарық спектроскопиясы мен спектрограммаларында қолданылатын әдістерге ұқсас болды, жарық спектроскопиясындағы құралдарының орнына кристалдар, иондау камералары және фотографтық пластиналар қолданылды. Кейбір жағдайларда Мозли өзінің құралдарын вакуумдық камерада жұмыс істеу арқылы, әсіресе ауаға немесе қағазға өтпейтін, жиілігі төмен (жұмсақ) рентген сәулелерін анықтау үшін өзгертуге мәжбүр болды.
Өлім және соңынан
1914 жылдың бірінші жартысында Мозли Манчестердегі лауазымынан кетіп, Оксфордқа оралып физикалық зерттеулерін жалғастыруды жоспарлады. Алайда, 1914 жылдың тамызында Бірінші дүниежүзілік соғыс басталды, сондықтан Мозли осы жұмыс ұсынысынан бас тартып, британдық армияның Корольдік инженерлеріне қатысты. Оның отбасы мен достары оны қатыспауға көндіруге тырысты, бірақ ол бұл өз міндеті деп ойлады. Мозли 1915 жылдың сәуірінен бастап Түркиядағы Галлиполи шайқасында байланыс бойынша техникалық офицер болып қызмет етті және 1915 жылдың 10 тамызында снайперден қаза тапты. Өлген кезде жиырма жеті жаста болған Мозли, кейбір ғалымдардың пікірінше, аман қалғанда атом құрылымы туралы білімге үлкен үлес қосуға болатын еді. Нильс Бор 1962 жылы Рутерфордтың жұмысы "ешқандай да маңызға ие емес" екенін және "үлкен өзгеріс Мозлиден келді" деді. Роберт Милликан былай деп жазды: "Ғылым тарихындағы ең керемет, шебер орындалған және нәтижелерінен түсінік беретін он зерттеудің бірі ретінде саналатын зерттеуде жиырма алты жасар жас адам бұрын-соңды түсініксіз болған атомдық әлемге нақтылықпен және сенімділікпен қарауға мүмкіндік беретін терезелерді ашты. Егер Еуропа соғысының жалғыз салдары осы жас өмірдің тоқтауы болғанда, бұл оны тарихтағы ең қорқынышты және өтелмейтін қылмыстардың біріне айналдырар еді". Джордж Сартон: "Оның даңқы осылай берік негізде қалыптасқандықтан, оның есімі мәңгілікке сақталады. Ол ғылымның өлмейтін тұлғаларының бірі, тіпті оның өмірі сақталғанда, біздің білімімізге көптеген қосымшалар енгізер еді, бірақ оған таңылған үлес өте маңызды болды, сондықтан оның өзін асырып түсу мүмкіндігі өте төмен болды. Ол қанша уақыт өмір сүрсе де, оны ең алдымен жиырма алты жасында жариялаған "Мозли заңы" үшін еске алатын еді". Айзек Азимов: "Оның [Мозлидің] тағы нелерге жете алатынын ескере отырып, оның өлімі жалпы адамзат үшін соғыстағы ең қымбат өлім болуы мүмкін еді", - деп жазды.