הנري موزلي (Henry Moseley)
הנري גווין ג'פריז מוסלי (Henry Gwyn Jeffreys Moseley; 23 בנובמבר 1887 – 10 באוגוסט 1915) היה פיזיקאי אנגלי, שתרומתו למדע הפיזיקה הייתה הביסוס לפי חוקים פיזיקליים של המושג האמפירי והכימי הקודם של המספר האטומי. הדבר נבע מפיתוח חוק מוסלי בספקטרום קרני-X.
חוק מוסלי קידם את הפיזיקה האטומי, הפיזיקה הגרעינית והפיזיקה הקוונטית בכך שסיפק את הראיה הניסיונית הראשונה לטובת תורתו של נילס בוהר (Niels Bohr), מלבד ספקטרום אטום המימן שעבורו תוכננה תורתו של בוהר. תאוריה זו שכללה את המודל של ארנסט רתרפורד (Ernest Rutherford) ואנטוניוס ואן דן ברוק (Antonius van den Broek), שהציע כי האטום מכיל בגרעינו מספר מטעני גרעין חיוביים השווה למספרו (האטומי) בטבלה המחזורית.
עם פרוץ מלחמת העולם הראשונה במערב אירופה, עזב מוסלי את עבודת המחקר שלו באוניברסיטת אוקספורד כדי להתנדב לחיל ההנדסה המלכותי של הצבא הבריטי. מוסלי צורף לכוח של חיילי האימפריה הבריטית שפשלו את חבל גליפולי שבטורקיז באפריל 1915, כקצין קשר. מוסלי נורה ונהרג במהלך קרב גליפולי ב-10 באוגוסט 1915, בגיל 27. מומחים העלו השערות כי לולא כן, ייתכן שמוסלי היה זוכה בפרס נובל לפיזיקה ב-1916.
השכלה וחיים מוקדמים
הנري ג'. י. מוסלי, שנודע לחבריו בשם הארי (Harry), נולד בוויימאות' (Weymouth) שבדורסט (Dorset) ב-1887. אביו, הנري נוטידג' מוסלי (Henry Nottidge Moseley; 1844–1891), שנפטר בעודו ילד צעיר, היה ביולוג וכן פרופסור לאנטומיה ופיזיולוגיה באוניברסיטת אוקספורד, שהיה חבר במסעות צ'לנג'ר (Challenger Expedition). אמו של מוסלי הייתה אמייבל גווין ג'פריז (Amabel Gwyn Jeffreys), בתם של הביולוג והמלכולוג הוולשי ג'ון גווין ג'פריז (John Gwyn Jeffreys). היא גם הייתה אלופת בריטניה בשחמט לנשים בשנת 1913.
מוסלי היה תלמיד מבטיח מאוד בבית הספר סאמר פילדס (Summer Fields School – שבו קרויה על שמו אחת מארבע ה"ליגות"), והוענק לו מלגת מלך ללמוד בבית הספר איטון (Eton College). ב-1906 זכה בפרסי הכימיה והפיזיקה באיטון. בשנת 1906 נרשם מוסלי לאוניברסיטת אוקספורד כסטודנט לתואר ראשון בטריניטי קולג' (Trinity College), שבו סיים את תואר הבצ'לור לאמנויות (BA). בהיותו סטודנט באוקספורד, נעשה מוסלי בנאי חופשי (מאסון) בהצטרפו ללוגת אוניברסיטת אפולו (Apollo University Lodge). מיד עם סיום לימודיו באוקספורד ב-1910, הפך מוסלי למדריך בפיזיקה באוניברסיטת מנצ'סטר, נבחר לחברות באגודה הספרותית והפילוסופית של מנצ'סטר ב-9 במאי 1911, והיה תחת פיקוחו של ארנסט רתרפורד. במהלך שנתו הראשונה במנצ'סטר נשא בעומס הוראה כמתרגל (TA), אך לאחר אותה שנה ראשונה, הועבר מתפקידי ההוראה שלו לעבוד כעוזר מחקר (RA). הוא דחה מלגה שהוצעה לו על ידי רתרפורד, והעדיף לחזור לאוקספורד בנובמבר 1913, שם ניתנו לו מתקני מעבדה אך ללא תמיכה.
קריירה ומחקר
בניסויים באנרגיה של חלקיקי בטא ב-1912, הראה מוסלי שניתן להשיג פוטנציאלים גבוהים ממקור רדיואקטיבי של רדיום, וכך המציא את הסוללה האטומית הראשונה, אף על פי שלא הצליח לייצר את ה-1MV הדרוש לעצירת החלקיקי.
בשנת 1913, מוסלי צפה ומדד את ספקטרום קרני-X של יסודות כימיים שונים (בעיקר מתכות) שהושגו בשיטת העקיפה דרך גבישים. היה זה שימוש חלוצי בשיטת ספקטרוסקופיית קרני-X בפיזיקה, תוך שימוש בחוק העקיפה של בראغ (Bragg's diffraction law) כדי לקבוע את אורכי הגל של קרני-X. מוסלי גילה קשר מתמטי שיטתי בין אורכי הגל של קרני-X המופקות לבין המספרים האטומיים של המתכות ששימשו כמטרות בצינורות קרני-X. קשר זה נודע בשם חוק מוסלי.
לפני גילויו של מוסלי, המספרים האטומיים (או מספר היסוד) של יסוד נתפסו כמספר סידורי חצי-שרירותי, המבוסס על רצף המספרים האטומיים, אך משתנה במידת מה במקומות שבהם כימאים מצאו שינוי כזה רצוי, כמו על ידי הכימאי הרוסי דמיטרי איוונוביץ' מנדלייב (Dmitri Ivanovich Mendeleev). בהמצאתו את הטבלה המחזורית של היסודות, החליף מנדלייב את סדרם של כמה זוגות יסודות כדי למקם אותם במקומות מתאימים יותר בטבלת היסודות. לדוגמה, למתכות קובלט וניקל הוקצו המספרים האטומיים 27 ו-28 בהתאמה, על סמך תכונותיהן הכימיות והפיזיקליות הידועות, אף על פי שיש לו מסות אטומיות כמעט זהות. למעשה, המסה האטומי של קובלט גדולה מעט מזו של ניקל, כך שניקל היה ממוקם בטבלה המחזורית לפני קובלט אילו היו מוצבים אך ורק לפי מסה אטומית. אולם ניסוייו של מוסלי בספקטרוסקופיית קרני-X הראו ישירות מהפיזיקה שלהם שלקובלט ולניקל יש מספרים אטומיים שונים, 27 ו-28, וכי הם ממוקמים בטבלה המחזורית כהלכה על ידי מדידותיו האובייקטיביות של מוסלי של מספרים האטומיים שלהם. מכאן שגילויו של מוסלי הוכיח שהמספרים האטומיים של יסודות אינם סתם מספרים שרירותיים למדי המבוססים על כימיה ועל האינטואיציה של כימאים, אלא יש להם בסיס ניסיוני איתן מהפיזיקה של ספקטרום קרני-X שלהם.
Twenty questions, eight minutes on the clock, and a percentile measured against everyone who has taken it. No sign-up.
Take the IQ test →בנוסף, מוסלי הראה כי היו פערים ברצף המספרים האטומיים במספרים 43, 61, 72 ו-75. כיום ידוע שחללים אלו הם מקומותיהם של היסודות הסינתטיים הרדיואקטיביים טכנציום ופרומתיום, וכן שני היסודות היציבים הטבעיים האחרונים הנדירים למדי הפניום (שנתגלה ב-1923) ורניום (שנתגלה ב-1925). דבר לא היה ידוע על ארבעה יסודות אלו בימיו של מוסלי, אפילו לא עצם קיומם. בהתבסס על האינטואיציה של כימאי מנוסה מאוד, דמיטרי מנדלייב חזה את קיומו של יסוד חסר בטבלה המחזורית, שלימים נמצא כי מתמלא על ידי טכנציום, ובוהוסלב בראונר (Bohuslav Brauner) חזה את קיומו של יסוד חסר נוסף בטבלה זו, שלימים נמצא כי מתמלא על ידי פרומתיום. ניסוייו של הנري מוסלי אישרו תחזיות אלו, בכך שהראו בדיוק מה היו המספרים האטומיים החסרים, 43 ו-61. בנוסף, מוסלי חזה את קיומם של שני יסודות נוספים שטרם התגלו, אלו בעלי המספרים האטומיים 72 ו-75, וסיפק ראיות חזקות מאוד לכך שלא היו פערים נוספים בטבלה המחזורית בין היסוד אלומיניום (מספר אטומי 13) לזהב (מספר אטומי 79).
שאלה אחרונה זו לגבי האפשרות של יסודות נוספים שטרם התגלו ("חסרים") הייתה בעיה ותיקה בקרב הכימאים בעולם, במיוחד בהינתן קיומה של המשפחה הגדולה של סדרת הלנתנידים של יסודות האדמות הנדירות. מוסלי הצליח להוכיח כי יסודות לנתנידים אלו, כלומר מלנתנום ועד לוטציום, חייבים לכלול בדיוק 15 חברים – לא יותר ולא פחות. מספר היסודות בלנתנידים היה שאלה רחוקה מאוד מלהיות פתורה על ידי כימאים של תחילת המאה ה-20. הם עדיין לא יכלו לייצר דגימות טהורות של כל יסודות האדמות הנדירות, אפילו בצורה של מלחיהם, ובמקרים מסוימים לא יכלו להבחין בין תערובות של שני יסודות אדמה נדירות דומים מאוד (סמוכים) לבין המתכות הטהורות הסמוכות בטבלה המחזורית. לדוגמה, היה מה שנקרא "יסוד" שאפילו ניתן לו השם הכימי "דידימיום" (didymium). שנים מספר לאחר מכן נמצא ש"דידימיום" הוא פשוט תערובות של שני יסודות אדמה נדירות אמיתיים, ואלה קיבלו את השמות ניאודימיום ופרזאודימיום, שמשמעותם "תאום חדש" ו"תאום ירוק". כמו כן, שיטת הפרדת יסודות האדמות הנדירות בשיטת חילוף יונים טרם הופעכה בזמנו של מוסלי.
שיטתו של מוסלי בספקטרוסקופיית קרני-X המוקדמת הצליחה למיין את הבעיות הכימיות שלעיל במהירות, שחלקן העסיקו כימאים במשך מספר שנים. מוסלי גם חזה את קיומו של יסוד 61, לנתניד שקיומו לא הושער קודם לכן. מספר שנים לא מועט לאחר מכן, יסוד 61 זה נוצר באופן מלאכותי בכורים גרעיניים ושמו ניתן לו פרומתיום.
### תרומה להבנת האטום
לפני מוסלי וחוקו, מספרים אטומיים נחשבו למספר סידורי חצי-שרירותי, העולה באורח מעורפל עם המשקל האטומי אך אינו מוגדר בקפידה על ידו. גילויו של מוסלי הראה שהמספרים האטומיים לא הוקצו בשרירותיות, אלא יש להם בסיס פיזיקלי מוגדר. מוסלי הניח שכל יסוד עוקב נושא מטען גרעיני הגדול בדיוק ביחידה אחת מזה של קודמו. מוסלי הגדיר מחדש את רעיון המספרים האטומיים ממעמדם הקודם כתווית מספר אד-הוק המסייעת במיון היסודות לרצף מדויק של מספרים אטומיים עולים שהפך את הטבלה המחזורית למדויקת. (זה היה לימים הבסיס לעקרון הבנייה [Aufbau principle] בלימודי האטום.) כפי שציין בוהר, חוק מוסלי סיפק סט נתונים ניסיוני שלם למדי שתמך בתפיסה (החדשה משנת 1911) של ארנסט רתרפורד ואנטוניוס ואן דן ברוק לגבי האטום, שבו יש גרעין טעון חיובי המוקף אלקטרונים טעונים שלילית שבו המספר האטומי מובן כמספר הפיזי המדויק של מטענים חיוביים (שלימים התגלו ונקראו פרוטונים) בגרעיני האטום המרכזיים של היסודות. מוסלי הזכיר את שני המדענים שלעיל במאמר המחקר שלו, אך לא הזכיר למעשה את בוהר, שהיה די חדש בזירה אז. נמצא כי שינויים פשוטים בנוסחאות רידברג ובוהר נותנים הצדקה תאורטית לחוק שנגזר אמפירית על ידי מוסלי לקביעת מספרים אטומיים.
### שימוש בספקטרומטר קרני-X
ספקטרומטרים של קרני-X הם אבני היסוד של קריסטלוגרפיית קרני-X. ספקטרומטרים של קרני-X כפי שהכיר אותם מוסלי פעלו כדלקמן. נעשה שימוש בצינור אלקטרונים בעל נורת זכוכית, הדומה לזה שאחז מוסלי בתצלום כאן. בתוך הצינור המרוקן, פוצצו אלקטרונים לעבר חומר מתכתי (כלומר דגימה של יסוד טהור בעבודתו של מוסלי), מה שגרם ליינון של אלקטרונים מקליפות האלקטרונים הפנימיות של היסוד. חזרת האלקטרונים אל חורים אלו בקליפות הפנימיות גורמת בתורה לפליטת פוטונים של קרני-X שיצאו מהצינור במעין אלומה, דרך פתח במיגון החיצוני של קרני-X. אלו נעקפים לאחר מכן על ידי גביש מלח סטנדרטי, כאשר תוצאות זוויתיות נקראות כקווים צילומיים באמצעות חשיפה של סרט צילום קרני-X המקובע בחלק החיצוני של צינור הוואקם במרחק ידוע. יישום חוק בראغ (לאחר ניחושים ראשוניים של המרחקים הממוצעים בין אטומים בגביש המתכתי, בהתבסס על צפיפותו) אפשר לאחר מכן לחשב את אורך הגל של קרני-X הנפלטות.
מוסלי השתתף בעיצוב ובפיתוח של ציוד ספקטרומטריית קרני-X מוקדם, כשהוא לומד טכניקות מסוימות מאת ויליאם הנري בראغ וויליאם לורנס בראغ באוניברסיטת לידס, ומפתח אחרות בעצמו. רבות מטכניקות ספקטרוסקופיית קרני-X השתאו מהשיטות המשמשות בספקטרוסקופים וספקטרוגרמות של אור נראה, תוך החלפת גבישים, תאי יינון ולוחות צילום באנלוגים שלהם בספקטרוסקופיית אור. במקרים מסוימים מוסלי מצא צורך לשנות את הציוד שלו כדי לזהות קרני-X רכות במיוחד (בתדר נמוך) שלא יכלו לחדור לאוויר או לנייר, על ידי עבודה עם מכשיר בוואקם תא.
מוות ואחרירית
במחצית הראשונה של 1914, התפטר מוסלי מתפקידו במנצ'סטר, מתוך תוכניות לחזור לאוקספורד ולהמשיך שם את מחקר הפיזיקה שלו. אולם מלחמת העולם הראשונה פרצה באוגוסט 1914, ומוסלי דחה את הצעת העבודה הזו כדי להתגייס במקום זאת לחיל ההנדסה המלכותי של הצבא הבריטי. משפחתו וחבריו ניסו לשכנע אותו שלא להצטרף, אך הוא חשב שזו חובתו. מוסלי שירת בדרגת סגן משנה כקצין טכני בקשר במהלך קרב גליפולי בטורקיה, החל מאפריל 1915, שם נהרג על ידי צלף ב-10 באוגוסט 1915. בהיותו ללא קבר ידוע, שמו חקוק על אנדרטת הלס (Helles Memorial) של ועדת קברי המלחמה של חבר העמים הבריטי.
בזמן מותו היה בן עשרים ושבע בלבד, ומוסלי יכול היה, לדעתם של מדענים מסוימים, לתרום רבות לידע על מבנה האטום אילו שרד. נילס בוהר אמר ב-1962 כי עבודתו של רתרפורד "לא נלקחה ברצינות כלל" וכי "השינוי הגדול הגיע ממוסלי".
רוברט מיליקן כתב: "במחקר שנועד להימנות עם תריסר המחקרים המבריקים ביותר בתפיסה, המיומנים בביצוע ומאירים בתוצאות בהתפתחות ההיסטוריה של המדע, צעיר בן עשרים ושש פתח את החלונות שדרכם אנו יכולים להציץ בעולם התת-אטומים ברמת מוגדרות ווודאות שלא חלמו עליה מעולם. אילו למלחמת אירופה לא הייתה תוצאה אחרת אלא כיבוי חיים צעירים אלו, די בכך כדי להפוך אותה לאחד הפשעים המכוערים והבלתי הניתנים לתיקון ביותר בהיסטוריה."
ג'ורג' סרטון כתב: "פרסומו כבר התבסס על יסוד כה בטוח עד שזכרונו יישאר רענן לנצח. הוא אחד מבני האלמוות של המדע, ואף על פי שהיה מוסיף תוספות רבות נוספות לידע שלנו אילו חייו היו נחסכים, התרופות שכבר זקפו לזכותו היו בעלות חשיבות בסיסית כה רבה, שההסתברות שיעלה על עצמו הייתה קטנה ביותר. סביר מאוד שיהא אורך חייו אשר יהיה, הוא היה זכור בעיקר בשל 'חוק מוסלי' שפרסם בגיל עשרים ושש."
איזק אסימוב כתב: "לאור מה שהוא [מוסלי] עשוי היה להשיג… מותו עשוי בהחלט להיות המוות היחיד היקר ביותר של המלחמה עבור המין האנושי בכללותו." רתרפורד האמין שעבודתו של מוסלי הייתה מזכה אותו בפרס נובל. לפני מותו, היה מוסלי מועמד לפרס הכימיה לשנת 1915 על ידי סוואנטה ארניוס (Svante Arrhenius); תקנון קרן נובל באותה תקופה התיר להעניק את הפרס לאחר המוות לאדם שנפטר לאחר מועמדותו, כך ששנת 1915 הייתה ההזדמנות היחידה להעניק את הפרס למוסלי. למרות זאת, וועדת נובל העניקה במקום זאת את פרס הכימיה לשנת 1915 לריכרד וילשטאטר (Richard Willstätter). פרס נובל לפיזיקה לשנת 1917 הוענק ל-C. G. Barkla "על גילויו של קרינת רנטגן האופיינית של היסודות", עבודה שהתבססה בחוזקה על זו של מוסלי.
לוחות זיכרון למוסלי הותקנו במנצ'סטר ובאיטון, ומלגת החברה המלכותית, שהוקמה על פי צוואתו, קיבלה כמקבל שני את הפיזיקאי פ. מ. ס. בלאקט (P. M. S. Blackett), שלימים הפך לנשיא החברה. מדליית ופרס הנري מוסלי של המכון לפיזיקה נקראים על שמו.