Генри Мозли: Жизнь и научные открытия английского физика.

Введение

Английский физик Генри Гвин Джеффрис Мозли (Henry Gwyn Jeffreys Moseley; 23 ноября 1887 – 10 августа 1915) был английским физиком, чьим вкладом в физику стало обоснование, основанное на физических законах, ранее эмпирической и химической концепции атомного номера. Это произошло благодаря его разработке закона Мозли в области рентгеновских спектров. Закон Мозли совершил прорыв в атомной, ядерной и квантовой физике, предоставив первые экспериментальные доказательства в поддержку теории Нильса Бора, помимо спектра атома водорода, который теория Бора была создана для воспроизведения. Эта теория уточнила модель, предложенную Эрнестом Резерфордом и Антониусом ван ден Бруком, согласно которой атом содержит в своем ядре число положительных ядерных зарядов, равное его (атомному) номеру в периодической таблице. С началом Первой мировой войны в Западной Европе Мозли оставил свои исследования в Оксфордском университете и добровольно поступил в Королевские инженеры британской армии. В апреле 1915 года Мозли был направлен в состав британских войск, вторгшихся в район Галлиполи в Турции, в качестве офицера связи. Мозли был убит во время битвы при Галлиполи 10 августа 1915 года в возрасте 27 лет. Эксперты полагают, что в противном случае Мозли мог бы получить Нобелевскую премию по физике в 1916 году.

Биография

Генри Г. Дж. Мозли, известный своим друзьям как Гарри, родился в Уэймуте, в графстве Дорсет, в 1887 году. Его отец, Генри Ноттидж Мозли (1844–1891), умер, когда Мозли был ещё молод; он был биологом и профессором анатомии и физиологии в Оксфордском университете, а также участником экспедиции «Челленджер». Мать Мозли, Амабель Гвин Джеффрис, была дочерью валлийского биолога и конхолога Джона Гвина Джеффриса. В 1913 году она стала чемпионкой Великобритании по шахматам среди женщин. Мозли был очень способным учеником в школе Summer Fields (где одна из четырех групп названа в его честь) и получил королевскую стипендию для обучения в колледже Итон. В 1906 году он выиграл премии по химии и физике в Итоне. В 1906 году Мозли поступил в Тринити-колледж Оксфордского университета, где получил степень бакалавра. Во время учебы в Оксфорде Мозли стал масоном, вступив в университетскую ложу «Аполлон». Сразу после окончания Оксфорда в 1910 году Мозли стал демонстратором по физике в Манчестерском университете под руководством сэра Эрнеста Резерфорда. В течение первого года работы в Манчестере он совмещал преподавание с работой в качестве аспиранта, но после этого был переведен на должность научного сотрудника-исследователя. Он отказался от стипендии, предложенной Резерфордом, предпочтя вернуться в Оксфорд в ноябре 1913 года, где ему предоставили лабораторию, но не финансовую поддержку.

Научная работа

Экспериментируя с энергией бета-частиц в 1912 году, Мозли показал, что высокие потенциалы могут быть достигнуты из радиоактивного источника радия, тем самым изобретя первую атомную батарею, хотя ему не удалось получить 1 МВ, необходимую для остановки частиц. В 1913 году Мозли наблюдал и измерил рентгеновские спектры различных химических элементов (в основном металлов), полученные методом дифракции через кристаллы. Это было пионерское применение метода рентгеновской спектроскопии в физике, использующего закон дифракции Брэгга для определения длин волн рентгеновского излучения. Мозли обнаружил систематическую математическую зависимость между длинами волн рентгеновских лучей и атомными номерами металлов, использовавшихся в качестве мишеней в рентгеновских трубках. Это вошло в историю как закон Мозли. До открытия Мозли атомные номера (или порядковый номер элемента) считались условными последовательными числами, основанными на последовательности атомных масс, но корректировались химиками, когда это считалось целесообразным, например, Дмитрием Ивановичем Менделеевым. В своем изобретении Периодической таблицы элементов Менделеев менял порядок некоторых пар элементов, чтобы разместить их в более подходящих позициях. Например, кобальту и никелю были присвоены атомные номера 27 и 28 соответственно, исходя из их известных химических и физических свойств, хотя их атомные массы почти одинаковы. Фактически, атомная масса кобальта немного больше, чем у никеля, поэтому, если бы элементы располагались исключительно по атомной массе, никель оказался бы в Периодической таблице перед кобальтом. Однако эксперименты Мозли по рентгеновской спектроскопии показали, основываясь на физических принципах, что кобальт и никель имеют разные атомные номера – 27 и 28, и что они правильно расположены в Периодической таблице благодаря объективным измерениям Мозли. Таким образом, открытие Мозли продемонстрировало, что атомные номера элементов – это не просто условные числа, основанные на химии и интуиции химиков, а имеют прочную экспериментальную основу, коренящуюся в физике их рентгеновских спектров. Кроме того, Мозли показал, что в последовательности атомных номеров существуют пробелы в позициях 43, 61, 72 и 75. Сейчас известно, что эти места занимают радиоактивные синтетические элементы технеций и прометий, а также два последних, довольно редких, естественных стабильных элемента – гафний (открытый в 1923 году) и рений (открытый в 1925 году). При жизни Мозли ничего не было известно об этих четырех элементах, даже об их существовании. Основываясь на интуиции опытного химика, Дмитрий Менделеев предсказал существование недостающего элемента в Периодической таблице, который впоследствии был заполнен технецием, а Бохуслав Браунер предсказал существование другого недостающего элемента, место которого занял прометий. Эксперименты Генри Мозли подтвердили эти предсказания, точно определив недостающие атомные номера – 43 и 61. Кроме того, Мозли предсказал существование еще двух неоткрытых элементов с атомными номерами 72 и 75 и предоставил убедительные доказательства отсутствия других пробелов в Периодической таблице между алюминием (атомный номер 13) и золотом (атомный номер 79). Этот вопрос о возможности существования других неоткрытых элементов долгое время был актуальной проблемой для химиков всего мира, особенно учитывая наличие большого семейства лантаноидов – редкоземельных элементов. Мозли смог продемонстрировать, что эти лантаноидные элементы, то есть от лантана до лютеция, должны состоять ровно из 15 элементов – ни больше, ни меньше. Количество элементов в лантаноидах было вопросом, который еще не был решен химиками начала XX века. Они еще не могли получить чистые образцы всех редкоземельных элементов, даже в виде их солей, и в некоторых случаях не могли различить смеси двух очень похожих (соседних) редкоземельных элементов от близлежащих чистых металлов в Периодической таблице. Например, существовал так называемый "элемент", которому даже дали химическое название "дидимий". Позже было установлено, что "дидимий" – это просто смесь двух настоящих редкоземельных элементов, которые получили названия неодим и празеодим, означающие "новый близнец" и "зеленый близнец". Кроме того, метод разделения редкоземельных элементов методом ионного обмена еще не был изобретен во времена Мозли. Метод Мозли в ранней рентгеновской спектроскопии позволил оперативно решить вышеупомянутые химические проблемы, некоторые из которых занимали химиков на протяжении многих лет. Мозли также предсказал существование элемента 61, лантаноида, существование которого ранее не предполагалось. Спустя несколько лет этот элемент 61 был искусственно создан в ядерных реакторах и получил название прометий.

Experimenting with the energy of beta particles in 1912, Moseley showed that high potentials were attainable from a radioactive source of radium, thereby inventing the first atomic battery, though he was unable to produce the 1MV necessary to stop the particles. In 1913, Moseley observed and measured the X ray spectra of various chemical elements (mostly metals) that were found by the method of diffraction through crystals. This was a pioneering use of the method of X ray spectroscopy in physics, using Bragg's diffraction law to determine the X ray wavelengths. Moseley discovered a systematic mathematical relationship between the wavelengths of the X rays produced and the atomic numbers of the metals that were used as the targets in X ray tubes. This has become known as Moseley's law. Before Moseley's discovery, the atomic numbers (or elemental number) of an element had been thought of as a semi arbitrary sequential number, based on the sequence of atomic masses, but modified somewhat where chemists found this modification to be desirable, such as by the Russian chemist, Dmitri Ivanovich Mendeleev. In his invention of the Periodic Table of the Elements, Mendeleev had interchanged the orders of a few pairs of elements to put them in more appropriate places in this table of the elements. For example, the metals cobalt and nickel had been assigned the atomic numbers 27 and 28, respectively, based on their known chemical and physical properties, even though they have nearly the same atomic masses. In fact, the atomic mass of cobalt is slightly larger than that of nickel, so nickel would be placed in the Periodic Table before cobalt if they were placed purely according to atomic mass. However Moseley's experiments in X ray spectroscopy showed directly from their physics that cobalt and nickel have the different atomic numbers, 27 and 28, and that they are placed in the Periodic Table correctly by Moseley's objective measurements of their atomic numbers. Hence, Moseley's discovery demonstrated that the atomic numbers of elements are not just rather arbitrary numbers based on chemistry and the intuition of chemists, but rather, they have a firm experimental basis from the physics of their X ray spectra. In addition, Moseley showed that there were gaps in the atomic number sequence at numbers 43, 61, 72, and 75. These spaces are now known, respectively, to be the places of the radioactive synthetic elements technetium and promethium, and also the last two quite rare naturally occurring stable elements hafnium (discovered 1923) and rhenium (discovered 1925). Nothing was known about these four elements in Moseley's lifetime, not even their very existence. Based on the intuition of a very experienced chemist, Dmitri Mendeleev had predicted the existence of a missing element in the Periodic Table, which was later found to be filled by technetium, and Bohuslav Brauner had predicted the existence of another missing element in this Table, which was later found to be filled by promethium. Henry Moseley's experiments confirmed these predictions, by showing exactly what the missing atomic numbers were, 43 and 61. In addition, Moseley predicted the existence of two more undiscovered elements, those with the atomic numbers 72 and 75, and gave very strong evidence that there were no other gaps in the Periodic Table between the elements aluminium (atomic number 13) and gold (atomic number 79). This latter question about the possibility of more undiscovered ("missing") elements had been a standing problem among the chemists of the world, particularly given the existence of the large family of the lanthanide series of rare earth elements. Moseley was able to demonstrate that these lanthanide elements, i. e. lanthanum through lutetium, must have exactly 15 members – no more and no less. The number of elements in the lanthanides had been a question that was very far from being settled by the chemists of the early 20th Century. They could not yet produce pure samples of all the rare earth elements, even in the form of their salts, and in some cases they were unable to distinguish between mixtures of two very similar (adjacent) rare earth elements from the nearby pure metals in the Periodic Table. For example, there was a so called "element" that was even given the chemical name of "didymium". "Didymium" was found some years later to be simply a mixture of two genuine rare earth elements, and these were given the names neodymium and praseodymium, meaning "new twin" and "green twin". Also, the method of separating the rare earth elements by the method of ion exchange had not been invented yet in Moseley's time. Moseley's method in early X ray spectroscopy was able to sort out the above chemical problems promptly, some of which had occupied chemists for a number of years. Moseley also predicted the existence of element 61, a lanthanide whose existence was previously unsuspected. Quite a few years later, this element 61 was created artificially in nuclear reactors and was named promethium.

Вклад в понимание атома

До открытия Мозли и его закона атомные числа рассматривались как полупроизвольный порядковый номер, приблизительно возрастающий с атомной массой, но не строго ею определяемый. Открытие Мозли показало, что атомные числа не присваивались произвольно, а имеют чёткую физическую основу. Мозли предположил, что каждый следующий элемент имеет ядерный заряд на единицу больше, чем предыдущий. Мозли переопределил понятие атомного числа, изменив его статус с простого числового обозначения для упорядочивания элементов на точную последовательность возрастающих атомных чисел, что сделало Периодическую таблицу точной. (Впоследствии это легло в основу принципа Ауфбау в атомных исследованиях.) Как отметил Бор, закон Мозли предоставил достаточно полную экспериментальную базу, подтверждающую (новую, начиная с 1911 года) концепцию атома, предложенную Эрнестом Резерфордом и Антониусом ван ден Бруком, – атом с положительно заряженным ядром, окружённым отрицательно заряженными электронами, где атомное число понимается как точное физическое количество положительных зарядов (позднее обнаруженных и названных протонами) в центральных атомных ядрах элементов. Мозли упомянул этих двух учёных в своей исследовательской работе, но не упомянул Бора, который в то время был относительно новым в научном сообществе. Было показано, что простые модификации формул Ридберга и Бора дают теоретическое обоснование эмпирически выведенному закону Мозли для определения атомных чисел.

Использование рентгеновского спектрометра

Рентгеновские спектрометры являются краеугольным камнем рентгеновской кристаллографии. Рентгеновские спектрометры, как их знал Мозли, работали следующим образом. Использовалась стеклянная электронная лампа, похожая на ту, что держит Мозли на фотографии. Внутри эвакуированной лампы электроны направлялись на металлическое вещество (то есть образец чистого элемента в работе Мозли), что вызывало ионизацию электронов из внутренних электронных оболочек элемента. Возвращение электронов в эти отверстия во внутренних оболочках, в свою очередь, вызывало излучение рентгеновских фотонов, которые выводились из лампы в виде полупучка через отверстие в внешней рентгеновской защите. Затем эти лучи дифрагировались стандартизированным солевым кристаллом, а угловые результаты считывались в виде фотографических линий при экспонировании рентгеновской пленки, закрепленной снаружи вакуумной лампы на известном расстоянии. Применение закона Брэгга (после некоторых первоначальных предположений о средних расстояниях между атомами в металлическом кристалле, основанных на его плотности) позволило рассчитать длину волны излучаемых рентгеновских лучей. Мозли участвовал в проектировании и разработке раннего рентгеновского спектрометрического оборудования, изучая некоторые методы у Уильяма Генри Брэгга и Уильяма Лоуренса Брэгга в Университете Лидса и разрабатывая другие самостоятельно. Многие методы рентгеновской спектроскопии были вдохновлены методами, используемыми в видимой световой спектроскопии и спектрографии, путем замены кристаллов, ионизационных камер и фотографических пластин на их аналоги в световой спектроскопии. В некоторых случаях Мозли находил необходимым модифицировать свое оборудование для обнаружения особенно мягких (низкочастотных) рентгеновских лучей, которые не могли проникать ни сквозь воздух, ни сквозь бумагу, работая со своими приборами в вакуумной камере.

Смерть и последствия

В первой половине 1914 года Мозли ушёл со своего поста в Манчестере, планируя вернуться в Оксфорд и продолжить там свои физические исследования. Однако в августе 1914 года вспыхнула Первая мировая война, и Мозли отказался от этой работы, предпочтя поступить на службу в Королевские инженеры британской армии. Его семья и друзья пытались отговорить его, но он считал это своим долгом. Мозли служил техническим офицером связи во время битвы при Галлиполи в Турции, начавшейся в апреле 1915 года, где он был убит снайпером 10 августа 1915 года. В возрасте всего двадцати семи лет, по мнению некоторых ученых, Мозли мог бы внести огромный вклад в изучение строения атома, если бы остался жив. Нильс Бор в 1962 году отметил, что работы Резерфорда "вовсе не воспринимались серьезно", и что "коренные перемены произошли благодаря Мозли". Роберт Милликан писал: "В исследовании, которое суждено занять место среди дюжины самых блестящих по замыслу, мастерству исполнения и значимости результатов в истории науки, молодой человек двадцати шести лет распахнул окна, через которые мы впервые смогли с определенностью и ясностью взглянуть на субатомный мир. Если бы европейская война не имела иного последствия, кроме как оборвать эту молодую жизнь, это само по себе стало бы одним из самых чудовищных и непоправимых преступлений в истории". Джордж Сартон писал: "Его слава уже была настолько прочной, что память о нем будет жить вечно. Он – один из бессмертных науки, и хотя он, возможно, сделал бы еще много открытий, если бы ему была дарована жизнь, его уже сделанные вклады были настолько фундаментальны, что вероятность превзойти их была крайне мала. Весьма вероятно, что как бы долго он ни жил, его будут помнить прежде всего благодаря 'закону Мозли', который он опубликовал в возрасте двадцати шести лет". Исаак Азимов писал: "Учитывая то, чего он [Мозли] мог еще достичь, его смерть, возможно, стала самой дорогой потерей для всего человечества в этой войне".

Sometime in the first half of 1914, Moseley resigned from his position at Manchester, with plans to return to Oxford and continue his physics research there. However, World War I broke out in August 1914, and Moseley turned down this job offer to instead enlist with the Royal Engineers of the British Army. His family and friends tried to persuade him not to join, but he thought it was his duty. Moseley served as a technical officer in communications during the Battle of Gallipoli, in Turkey, beginning in April 1915, where he was killed by a sniper on 10 August 1915. Only twenty seven years old at the time of his death, Moseley could, in the opinion of some scientists, have contributed much to the knowledge of atomic structure had he survived. Niels Bohr said in 1962 that Rutherford's work "was not taken seriously at all" and that the "great change came from Moseley." Robert Millikan wrote, "In a research which is destined to rank as one of the dozen most brilliant in conception, skillful in execution, and illuminating in results in the history of science, a young man twenty six years old threw open the windows through which we can glimpse the sub atomic world with a definiteness and certainty never dreamed of before. Had the European War had no other result than the snuffing out of this young life, that alone would make it one of the most hideous and most irreparable crimes in history." George Sarton wrote, "His fame was already established on such a secure foundation that his memory will be green forever. He is one of the immortals of science, and though he would have made many other additions to our knowledge if his life had been spared, the contributions already credited to him were of such fundamental significance, that the probability of his surpassing himself was extremely small. It is very probable that however long his life, he would have been chiefly remembered because of the 'Moseley law' which he published at the age of twenty six." Isaac Asimov wrote, "In view of what he [Moseley] might still have accomplished his death might well have been the most costly single death of the War to mankind generally."