In den letzten vier Tagen habe ich die (Ergebnisse) von Tantal, Chrom, Mangan, Eisen, Nickel, Kobalt und Kupfer erhalten ... Das wichtigste Ergebnis ist, dass ... das Ergebnis für jedes Metall (sehr) leicht aus den Ergebnissen für die anderen zu erraten ist. Dies zeigt, dass die Innenseiten aller Atome sich sehr ähneln, und aus diesen Ergebnissen wird es möglich sein, etwas darüber herauszufinden, woraus die Innenseiten zusammengesetzt sind.
Henry Gwyn Jeffreys Moseley war ein englischer Physiker, dessen Beitrag zur Physik die Begründung des zuvor empirischen und chemischen Konzepts der Ordnungszahl durch physikalische Gesetze war. Dies stammte aus seiner Entwicklung des Moseleyschen Gesetzes in Röntgenspektren.
Das Moseleysche Gesetz förderte die Atomphysik, Kernphysik und Quantenmechanik, indem es den ersten experimentellen Beweis für Niels Bohrs Theorie lieferte, abgesehen vom Wasserstoffatomspektrum, das die Bohr-Theorie reproduzieren sollte. Diese Theorie verfeinerte Ernest Rutherfords und Antonius van den Broeks Modell, das vorschlug, dass der Atomkern eine Anzahl positiver Kernladungen enthält, die seiner Ordnungszahl im Periodensystem entspricht. Dies bleibt das heute akzeptierte Modell.
Als der Erste Weltkrieg in Westeuropa ausbrach, verließ Moseley seine Forschungsarbeit an der University of Oxford, um sich freiwillig für die Royal Engineers der britischen Armee zu melden. Moseley wurde der Truppe britischer Imperialisten zugeteilt, die die Region Gallipoli in der Türkei im April 1915 als Telekommunikationsoffizier invasierte. Moseley wurde während der Schlacht von Gallipoli am 10. August 1915 im Alter von 27 Jahren erschossen und getötet. Experten haben spekuliert, dass Moseley ansonsten 1916 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet worden sein könnte.
Biographie
Henry G. J. Moseley, von seinen Freunden Harry genannt, wurde 1887 in Weymouth in Dorset geboren. Sein Vater Henry Nottidge Moseley 1844–1891, der starb, als Moseley noch jung war, war ein Biologe und auch Professor für Anatomie und Physiologie an der University of Oxford und war Mitglied der Challenger-Expedition gewesen. Moseleys Mutter war Amabel Gwyn Jeffreys, die Tochter des walisischen Biologen und Konchyliologen John Gwyn Jeffreys. Sie war auch 1913 britische Frauenschachmeisterin.
Moseley war ein sehr vielversprechender Schüler an der Summer Fields School, wo eine der vier „Ligen" nach ihm benannt ist, und ihm wurde ein King's Scholarship zur Teilnahme am Eton College verliehen. 1906 gewann er die Chemie- und Physikpreise in Eton. 1906 trat Moseley dem Trinity College der University of Oxford bei, wo er seinen Bachelor-Abschluss machte. Während seines Studiums in Oxford trat Moseley der Apollo University Lodge bei. Unmittelbar nach seinem Abschluss von Oxford 1910 wurde Moseley Demonstrator für Physik an der University of Manchester unter der Aufsicht von Sir Ernest Rutherford. Während Moseleys erstem Jahr in Manchester hatte er eine Lehrbelastung als wissenschaftlicher Hilfsassistent, aber nach diesem ersten Jahr wurde er von seinen Lehraufgaben abgelöst, um als wissenschaftlicher Forschungsassistent zu arbeiten. Er lehnte ein von Rutherford angebotenes Fellowship ab und zog es vor, im November 1913 nach Oxford zurückzukehren, wo ihm Laboreinrichtungen, aber keine Unterstützung gegeben wurden.
Wissenschaftliche Arbeit
Beim Experimentieren mit der Energie von Betapartikeln 1912 zeigte Moseley, dass hohe Potentiale von einer radioaktiven Radiumquelle erreichbar waren, wodurch er die erste Atombatterie erfand, obwohl er nicht in der Lage war, die 1 MeV zu erzeugen, die notwendig waren, um die Partikel zu stoppen.
1913 beobachtete und maß Moseley die Röntgenspektren verschiedener chemischer Elemente, hauptsächlich Metalle, die durch die Methode der Diffraktion durch Kristalle gefunden wurden. Dies war eine Pioniernutzung der Methode der Röntgenspektroskopie in der Physik, bei der Braggs Diffraktionsgesetz verwendet wurde, um die Röntgenwellenlängen zu bestimmen. Moseley entdeckte eine systematische mathematische Beziehung zwischen den Wellenlängen der erzeugten Röntgenstrahlen und den Ordnungszahlen der Metalle, die als Ziele in Röntgenröhren verwendet wurden. Dies ist als Moseleys Gesetz bekannt geworden.
Vor Moseleys Entdeckung war die Ordnungszahl oder Elementnummer eines Elements als eine halbwillkürliche sequenzielle Nummer gedacht worden, basierend auf der Folge der Atommassen, aber einige Modifikationen, wo Chemiker diese Modifikation wünschenswert fanden, wie beispielsweise vom russischen Chemiker Dmitri Iwanowitsch Mendeleev. Bei seiner Erfindung des Periodensystems der Elemente hatte Mendeleev die Reihenfolge einiger Elementpaare vertauscht, um sie an geeignetere Stellen in dieser Tabelle der Elemente zu setzen. Beispielsweise waren die Metalle Kobalt und Nickel den Ordnungszahlen 27 bzw. 28 auf der Grundlage ihrer bekannten chemischen und physikalischen Eigenschaften zugeordnet worden, obwohl sie nahezu die gleichen Atommassen haben. Tatsächlich ist die Atommasse von Kobalt leicht größer als die von Nickel, was sie in umgekehrter Reihenfolge im Periodensystem platziert hätte, wenn sie blind nach Atommasse platziert worden wären. Moseleys Experimente in der Röntgenspektroskopie zeigten direkt aus ihrer Physik, dass Kobalt und Nickel unterschiedliche Ordnungszahlen haben, 27 und 28, und dass sie durch Moseleys objektive Messungen ihrer Ordnungszahlen im Periodensystem richtig platziert sind. Daher zeigte Moseleys Entdeckung, dass die Ordnungszahlen von Elementen nicht nur eher willkürliche Zahlen basierend auf Chemie und der Intuition von Chemikern sind, sondern dass sie eine feste experimentelle Grundlage aus der Physik ihrer Röntgenspektren haben.
Darüber hinaus zeigte Moseley, dass es Lücken in der Ordnungszahlfolge bei den Nummern 43, 61, 72 und 75 gab. Diese Plätze sind jetzt bekannt als die Orte der radioaktiven synthetischen Elemente Technetium und Promethium sowie auch die letzten beiden ziemlich seltenen natürlich vorkommenden stabilen Elemente Hafnium, entdeckt 1923, und Rhenium, entdeckt 1925. Nichts war über diese vier Elemente zu Moseleys Lebzeiten bekannt, nicht einmal ihre Existenz. Basierend auf der Intuition eines sehr erfahrenen Chemikers hatte Dmitri Mendeleev die Existenz eines fehlenden Elements im Periodensystem vorhergesagt, das später von Technetium gefüllt wurde, und Bohuslav Brauner hatte die Existenz eines anderen fehlenden Elements in dieser Tabelle vorhergesagt, das später von Promethium gefüllt wurde. Henry Moseleys Experimente bestätigten diese Vorhersagen, indem sie genau zeigten, welche die fehlenden Ordnungszahlen waren, 43 und 61. Darüber hinaus sagte Moseley die Existenz von zwei weiteren noch nicht entdeckten Elementen voraus, jenen mit den Ordnungszahlen 72 und 75, und lieferte sehr starke Beweise dafür, dass es keine anderen Lücken im Periodensystem zwischen den Elementen Aluminium mit der Ordnungszahl 13 und Gold mit der Ordnungszahl 79 gab.
Diese letztere Frage über die Möglichkeit von mehr noch nicht entdeckten „fehlenden" Elementen war ein bestehendes Problem unter den Chemikern der Welt, besonders angesichts der Existenz der großen Familie der Lanthanid-Reihe der Seltenerdelemente. Moseley konnte zeigen, dass diese Lanthanid-Elemente, d.h. Lanthan bis Lutetium, genau 15 Mitglieder haben müssen – nicht mehr und nicht weniger. Die Anzahl der Elemente in den Lanthanidenreihen war eine Frage, die bei den Chemikern des frühen 20. Jahrhunderts noch lange nicht geklärt war. Sie konnten noch nicht reine Proben aller Seltenerdelemente herstellen, auch nicht in Form ihrer Salze, und in einigen Fällen konnten sie nicht zwischen Mischungen von zwei sehr ähnlichen benachbarten Seltenerdelementen und den nahe gelegenen reinen Metallen im Periodensystem unterscheiden. Beispielsweise gab es ein sogenanntes „Element", dem sogar der chemische Name „Didymium" gegeben wurde. „Didymium" wurde einige Jahre später als einfach eine Mischung von zwei echten Seltenerdelementen befunden, und diesen wurden die Namen Neodym und Praseodym gegeben, was „neuer Zwilling" und „grüner Zwilling" bedeutet. Auch die Methode der Trennung der Seltenerdelemente durch die Methode des Ionenaustauschs war zu Moseleys Zeit noch nicht erfunden worden.
Moseleys Methode in der frühen Röntgenspektroskopie war in der Lage, die oben genannten chemischen Probleme sofort zu sortieren, von denen einige Chemiker über eine Reihe von Jahren beschäftigt hatten. Moseley sagte auch die Existenz des Elements 61 voraus, eines Lanthanidens, dessen Existenz zuvor nicht vermutet wurde. Einige Jahre später wurde dieses Element 61 künstlich in Kernreaktoren erzeugt und erhielt den Namen Promethium.
Beitrag zum Verständnis des Atoms
Vor Moseley und seinem Gesetz waren Ordnungszahlen als eine halbwillkürliche Ordnungsnummer gedacht worden, die vage mit der Atommasse zunahm, aber nicht streng dadurch definiert wurde. Moseleys Entdeckung zeigte, dass Ordnungszahlen nicht willkürlich zugewiesen wurden, sondern dass sie eine definite physikalische Grundlage haben. Moseley postulierte, dass jedes aufeinanderfolgende Element eine Kernladung hat, die genau eine Einheit größer ist als die seines Vorgängers. Moseley definierte die Idee der Ordnungszahlen von ihrem bisherigen Status als Ad-hoc-Zahlenetikett neu, um die Elemente zu sortieren, in eine genaue Abfolge aufsteigender Ordnungszahlen, die das Periodensystem genau machte. Dies sollte später die Grundlage des Aufbau-Prinzips in Atomstudien sein. Wie von Bohr angemerkt, lieferte Moseleys Gesetz einen ziemlich vollständigen experimentellen Datensatz, der die neue Konzeption von 1911 von Ernest Rutherford und Antonius van den Broek des Atoms mit einem positiv geladenen Kern, umgeben von negativ geladenen Elektronen, unterstützte, in dem die Ordnungszahl als die genaue physikalische Anzahl positiver Ladungen verstanden wird, die später entdeckt und Protonen in den zentralen Atomkernen der Elemente genannt wurden. Moseley erwähnte die beiden oben genannten Wissenschaftler in seinem Forschungspapier, erwähnte aber Bohr eigentlich nicht, der damals eher neu auf der Bildfläche war. Einfache Modifikationen der Formeln von Rydberg und Bohr wurden gefunden, um theoretische Rechtfertigung für Moseleys empirisch abgeleitetes Gesetz zur Bestimmung von Ordnungszahlen zu geben.
Verwendung von Röntgenspektrometer
Röntgenspektrometer sind die Grundsteine der Röntgenkristallographie. Die Röntgenspektrometer, wie Moseley sie kannte, funktiononierten wie folgt. Eine Glasskolben-Elektronenröhre wurde verwendet, ähnlich derjenigen, die Moseley auf dem Foto hier hielt. Im evakuierten Rohr wurden Elektronen auf eine metallische Substanz, d.h. eine Probe eines reinen Elements in Moseleys Arbeit, gefeuert, was die Ionisierung von Elektronen aus den inneren Elektronenschalen des Elements verursachte. Das Zurückprallen von Elektronen in diese Löcher in den inneren Schalen verursacht als nächstes die Emission von Röntgenphotonen, die durch eine Öffnung in der externen Röntgenschirmung in einem Halbstrahl aus dem Rohr geleitet wurden. Diese werden dann von einem standardisierten Salzkristall abgebeugt, mit Winkelergebnissen, die als fotografische Linien durch die Belichtung eines Röntgenfilms gelesen werden, der außerhalb der Vakuumröhre in bekannter Entfernung befestigt ist. Die Anwendung des Braggschen Gesetzes nach einiger anfänglicher Vermutung der mittleren Abstände zwischen Atomen im Metallkristall, basierend auf seiner Dichte, ermöglichte als nächstes die Berechnung der Wellenlänge der emittierten Röntgenstrahlen.
Moseley war an der Gestaltung und Entwicklung früher Röntgenspektrometrie-Geräte beteiligt, lernte einige Techniken von William Henry Bragg und William Lawrence Bragg an der University of Leeds und entwickelte andere selbst. Viele der Techniken der Röntgenspektroskopie wurden durch die Methoden inspiriert, die mit sichtbaren Lichtspektroskopen und Spektrogrammen verwendet werden, indem Kristalle, Ionisationskammern und fotografische Platten durch ihre Analoga in der Lichtspektroskopie ersetzt wurden. In einigen Fällen fand Moseley es notwendig, seine Ausrüstung zu modifizieren, um besonders weiche Röntgenstrahlen zu erkennen, die weder Luft noch Papier durchdringen konnten, indem er mit seinen Instrumenten in einer Vakuumkammer arbeitete.
Tod und Nachwirkungen
Irgendwann in der ersten Hälfte von 1914 resignierte Moseley von seiner Position in Manchester mit Plänen, nach Oxford zurückzukehren und dort seine Physikforschung fortzusetzen. Der Erste Weltkrieg brach jedoch im August 1914 aus, und Moseley lehnte dieses Jobangebot ab, um sich stattdessen bei den Royal Engineers der britischen Armee einzutragen. Seine Familie und Freunde versuchten, ihn davon abzubringen, beizutreten, aber er dachte, es war seine Pflicht. Moseley diente als technischer Offizier in Kommunikation während der Schlacht von Gallipoli in der Türkei, beginnend im April 1915, wo er am 10. August 1915 im Kampf getötet wurde. Moseley wurde durch einen Kopfschuss von einem türkischen Scharfschützen getötet, während er gerade dabei war, einen militärischen Befehl zu telefonieren.
Mit nur siebenundzwanzig Jahren zum Zeitpunkt seines Todes hätte Moseley nach Ansicht einiger Wissenschaftler viel zum Wissen über die Atomstruktur beitragen können, wenn er überlebt hätte. Niels Bohr sagte 1962, dass Rutherfords Arbeit „gar nicht ernst genommen wurde" und dass der „große Wandel von Moseley kam."
Robert Millikan schrieb: „In einer Forschung, die als eine der düsendsten Forschungen in der Konzeption, geschickt in der Ausführung und erleuchtend in den Ergebnissen in der Geschichte der Wissenschaft rangieren soll, öffnete ein junger Mann von sechsundzwanzig Jahren die Fenster, durch die wir einen Blick auf die subatomare Welt werfen können, mit einer Bestimmtheit und Gewissheit, die nie zuvor geträumt wurde. Hätte der Europäische Krieg kein anderes Ergebnis als die Auslöschung dieses jungen Lebens, würde allein das ihn zu einem der scheußlichsten und am meisten nicht wiedergutzumachenden Verbrechen in der Geschichte machen."
George Sarton schrieb: „Sein Ruhm war bereits auf einer so sicheren Grundlage errichtet, dass sein Andenken grün sein wird
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