지난 4일 동안 나는 Tantalum, Chromium, Manganese, Iron, Nickel, Cobalt, Copper에서 나온 (결과)를 얻었다 ... 주요 결과는 ... 어떤 금속의 결과도 (다른 것들의 결과로부터) 쉽게 추측할 수 있다는 것이다. 이것은 모든 원자의 내부가 매우 유사하다는 것을 보여주며, 이 결과들로부터 내부가 무엇으로 구성되어 있는지 알아낼 수 있을 것이다.
Henry Gwyn Jeffreys Moseley는 영국의 물리학자로, 그의 물리학에 대한 기여는 이전의 경험적이고 화학적인 원자번호 개념을 물리법칙으로부터 정당화한 것이었다. 이는 X선 스펙트럼에서 Moseley의 법칙 개발에서 비롯되었다.
Moseley의 법칙은 원자물리학, 핵물리학, 양자물리학을 발전시켰으며, Bohr 이론이 재현하도록 설계된 수소 원자 스펙트럼을 제외하고 Niels Bohr의 이론을 지지하는 첫 번째 실험적 증거를 제공했다. 이 이론은 Ernest Rutherford와 Antonius van den Broek의 모델을 정교하게 했는데, 이 모델은 원자가 핵 내에 주기율표의 원자번호와 같은 수의 양성 핵 전하를 포함한다고 제안했다. 이는 현재까지도 인정되는 모델이다.
제1차 세계대전이 서유럽에서 발발했을 때, Moseley는 Oxford 대학의 연구 업무를 뒤로하고 영국 육군의 Royal Engineers 자원봉사자로 참여했다. Moseley는 1915년 4월 Gallipoli, Turkey 지역을 침략한 영국 제국 군인 부대에 통신장교로 배치되었다. Moseley는 1915년 8월 10일 Gallipoli 전투 중에 총을 맞아 사망했으며, 당시 나이는 27세였다. 전문가들은 Moseley가 다른 경우 1916년 노벨 물리학상을 받았을 수도 있었을 것으로 추측해왔다.
전기
친구들에게 Harry로 알려진 Henry G. J. Moseley는 1887년 Dorset의 Weymouth에서 태어났다. 그의 아버지 Henry Nottidge Moseley (1844–1891)는 Moseley가 어릴 때 사망했으며, 생물학자이자 Oxford 대학의 해부학 및 생리학 교수였으며, Challenger 원정대의 일원이었다. Moseley의 어머니는 Welsh 생물학자이자 패류학자인 John Gwyn Jeffreys의 딸인 Amabel Gwyn Jeffreys였다. 그녀는 또한 1913년 영국 여성 체스 챔피언이었다.
Moseley는 Summer Fields School에서 매우 유망한 학생이었으며, 네 개의 "leagues" 중 하나가 그의 이름을 따서 명명되었고, 그는 Eton College에 참석하기 위한 King's 장학금을 받았다. 1906년 그는 Eton에서 화학 및 물리학 상을 받았다. 1906년 Moseley는 Oxford 대학의 Trinity College에 입학했으며, 학사 학위를 취득했다. Oxford의 대학생이었을 동안 Moseley는 Apollo University Lodge에 가입했다. 1910년 Oxford에서 졸업한 직후, Moseley는 Sir Ernest Rutherford의 감독 아래 Manchester 대학에서 물리학 강사가 되었다. Manchester에서 Moseley의 첫 해 동안 그는 대학원 조교로서의 교수 부담이 있었지만, 그 첫 해 이후 그는 교수 업무에서 벗어나 대학원 연구 조교로 일하도록 재배치되었다. 그는 Rutherford가 제안한 펠로우십을 거절했으며, 1913년 11월 Oxford로 돌아가기를 선호했으며, 그곳에서 실험실 시설이 주어졌으나 지원은 받지 못했다.
과학적 업적
1912년 베타 입자의 에너지로 실험하면서, Moseley는 라듐의 방사성 선원으로부터 높은 전위가 달성 가능함을 보였으며, 따라서 최초의 원자 배터리를 발명했으나, 입자를 멈추는 데 필요한 1MeV를 생산할 수 없었다.
1913년 Moseley는 결정을 통한 회절 방법으로 발견된 다양한 화학 원소(주로 금속)의 X선 스펙트럼을 관찰하고 측정했다. 이는 Bragg의 회절 법칙을 사용하여 X선 파장을 결정하면서 물리학에서 X선 분광법 방법의 선구적인 사용이었다. Moseley는 생성된 X선의 파장과 X선 튜브에서 대상으로 사용되는 금속의 원자번호 사이의 체계적인 수학적 관계를 발견했다. 이는 Moseley의 법칙으로 알려지게 되었다.
Moseley의 발견 이전에는 원소의 원자번호 또는 원소번호가 원자 질량의 수열을 기반으로 한 반자의적 수열 번호로 생각되었지만, Russian 화학자 Dmitri Ivanovich Mendeleev와 같이 화학자들이 이 수정이 바람직하다고 생각하는 곳에서 다소 수정되었다. 그의 원소의 주기율표 발명에서 Mendeleev는 이 원소 표에서 더 적절한 위치에 놓기 위해 몇 쌍의 원소의 순서를 바꿨다. 예를 들어, 금속 cobalt과 nickel은 그들의 알려진 화학적 및 물리적 성질을 기반으로 각각 원자번호 27과 28이 할당되었지만, 거의 같은 원자 질량을 가지고 있다. 실제로 cobalt의 원자 질량은 nickel의 원자 질량보다 약간 크며, 원자 질량에 따라 맹목적으로 주기율표에 배치되었다면 그들을 역순으로 배치했을 것이다. Moseley의 X선 분광학 실험은 cobalt과 nickel이 다른 원자번호 27과 28을 가지고 있으며, 그들이 Moseley의 원자번호에 대한 객관적 측정으로 주기율표에 올바르게 배치되어 있음을 그들의 물리학으로부터 직접 보였다. 따라서 Moseley의 발견은 원소의 원자번호가 단지 화학과 화학자의 직관에 기반한 다소 자의적인 번호가 아니라, 그들의 X선 스펙트럼의 물리학으로부터 견실한 실험적 기초를 가지고 있음을 보여주었다.
또한 Moseley는 원자번호 수열에 43, 61, 72, 75 번호에 간격이 있었음을 보였다. 이 공간들은 이제 각각 방사능 합성 원소 technetium과 promethium의 위치이며, 또한 마지막 두 개의 매우 드문 자연 발생 안정 원소인 1923년에 발견된 hafnium과 1925년에 발견된 rhenium임이 알려져 있다. Moseley의 생애 동안 이 네 원소에 대해 아무것도 알려지지 않았으며, 그들의 존재조차도 마찬가지였다. 매우 경험 많은 화학자의 직관을 기반으로 Dmitri Mendeleev는 주기율표의 결여된 원소의 존재를 예측했으며, 이는 나중에 technetium으로 채워지는 것으로 발견되었으며, Bohuslav Brauner는 이 표의 또 다른 결여된 원소의 존재를 예측했으며, 이는 나중에 promethium으로 채워지는 것으로 발견되었다. Henry Moseley의 실험은 정확히 결여된 원자번호가 43과 61임을 보여주면서 이 예측들을 확인했다. 또한 Moseley는 원자번호 72와 75의 발견되지 않은 두 개의 원소의 존재를 예측했으며, 원소 aluminium 원자번호 13과 gold 원자번호 79 사이의 주기율표에 다른 간격이 없다는 매우 강한 증거를 제공했다.
이 후자의 발견되지 않은 더 많은 "결여된" 원소의 가능성에 대한 질문은 특히 lanthanide 계열의 희토류 원소들의 대규모 family의 존재를 감안할 때 전 세계 화학자들 사이에서 오래 제기되어 온 문제였다. Moseley는 이 lanthanide 원소들, 즉 lanthanum에서 lutetium까지가 정확히 15개의 구성원을 가져야 한다는 것을 입증할 수 있었다 – 이상도 이하도 아니다. lanthanide의 원소 수는 20세기 초 화학자들 사이에서 해결되기에는 너무 멀리 떨어져 있던 문제였다. 그들은 희토류 원소 모두의 순수 샘플을 그들의 염 형태로도 생산할 수 없었으며, 어떤 경우에는 주기율표의 인접한 희토류 원소의 두 혼합물과 근처의 순수 금속을 구별할 수 없었다. 예를 들어, 심지어 "didymium"이라는 화학 이름이 주어진 소위 "원소"가 있었다. "Didymium"은 몇 년 후 단순히 두 개의 진정한 희토류 원소의 혼합물임이 발견되었으며, 이 원소들은 neodymium과 praseodymium이라는 이름이 주어졌으며, 각각 "새로운 쌍둥이"와 "녹색 쌍둥이"를 의미한다. 또한 이온 교환 방법으로 희토류 원소를 분리하는 방법은 Moseley의 시대에는 아직 발명되지 않았다.
초기 X선 분광학에서 Moseley의 방법은 위의 화학적 문제들을 신속하게 정렬할 수 있었으며, 그 중 일부는 수년 동안 화학자들을 차지했다. Moseley는 또한 이전에 의심되지 않았던 lanthanide인 원소 61의 존재를 예측했다. 꽤 몇 년 후, 이 원소 61은 원자로에서 인위적으로 생성되었으며 promethium이라는 이름이 주어졌다.
원자에 대한 이해에 대한 기여
Moseley와 그의 법칙 이전에는 원자번호가 반자의적 순서 번호로 생각되었으며, 원자 무게에 따라 모호하게 증가했지만 엄격하게 정의되지는 않았다. Moseley의 발견은 원자번호가 자의적으로 할당되는 것이 아니라, 명확한 물리적 기초를 가지고 있음을 보였다. Moseley는 각각의 연속 원소가 그 전임자보다 정확히 한 단위 더 큰 핵 전하를 가진다고 가정했다. Moseley는 원자번호의 개념을 이전의 임시 수치 태그 상태에서 원소를 정렬하는 데 도움이 되는 것에서 주기율표를 정확하게 만드는 상승하는 원자번호의 정확한 수열로 재정의했다. 이것은 나중에 원자 연구에서 Aufbau 원리의 기초가 되었다. Bohr이 지적한 바와 같이, Moseley의 법칙은 1911년 Ernest Rutherford와 Antonius van den Broek의 새로운 원자에 대한 개념을 지지하는 합리적으로 완전한 실험 데이터 세트를 제공했으며, 양성 핵을 중심으로 음으로 하전된 전자로 둘러싸여 있으며 원자번호는 중앙 원자 핵에서 나중에 발견되고 양성자라고 불리는 양 전하의 정확한 물리적 수로 이해된다. Moseley는 그의 연구 논문에서 위의 두 과학자를 언급했지만, 그는 실제로 그 당시 장면에 비교적 새로운 Bohr를 언급하지 않았다. Rydberg의 그리고 Bohr의 공식의 단순한 수정은 Moseley의 원자번호를 결정하기 위한 경험적으로 파생된 법칙에 대한 이론적 정당성을 제공하는 것으로 발견되었다.
X선 분광기의 사용
X선 분광기는 X선 결정학의 기초 석재이다. Moseley가 알던 X선 분광기는 다음과 같이 작동했다. 유리 전구 전자 튜브가 사용되었으며, Moseley가 여기 사진에서 들고 있는 것과 유사했다. 진공 튜브 내에서, 전자들은 금속 물질, 즉 Moseley의 업무에서 순수 원소의 샘플에 발사되었으며, 원소의 내부 전자 껍질에서 전자의 이온화를 야기했다. 이 내부 껍질의 구멍으로 전자의 반동은 다음으로 외부 X선 차폐의 개구부를 통해 튜브 밖으로 이끌어진 반직선으로 X선 광자의 방출을 야기한다. 이들은 다음으로 표준화된 소금 결정에 의해 회절되며, 각도 결과는 진공 튜브 외부에 알려진 거리에 고정된 X선 필름의 노출로 사진 선으로 읽혀진다. Bragg의 법칙 적용은 금속 결정의 원자들 사이의 평균 거리의 일부 초기 추측 이후에, 그 밀도에 기반하여 방출된 X선의 파장을 계산하도록 허용했다.
Moseley는 초기 X선 분광 측정 장비의 설계 및 개발에 참여했으며, Leeds 대학의 William Henry Bragg와 William Lawrence Bragg로부터 몇 가지 기법을 배웠으며, 다른 것들은 직접 개발했다. X선 분광학의 많은 기법들은 결정, 이온화 챔버, 사진 판을 광 분광법의 유사한 것으로 대체하면서 가시 광선 분광기 및 분광 사진기와 함께 사용되는 방법들에서 영감을 받았다. 어떤 경우에는 Moseley는 공기나 종이를 투과할 수 없는 특히 부드러운 X선을 감지하기 위해 진공 챔버에서 그의 기구로 작업함으로써 그의 장비를 수정할 필요가 있었다.
사망 및 이후
1914년 상반기의 어느 시점에 Moseley는 Manchester의 직위를 사직했으며, Oxford로 돌아가 그곳에서 물리학 연구를 계속할 계획이었다. 그러나 1914년 8월 제1차 세계대전이 발발했으며, Moseley는 이 직위 제안을 거절하고 대신 영국 육군의 Royal Engineers에 입대했다. 그의 가족과 친구들은 그를 참여하지 말도록 설득하려고 했지만, 그는 그것이 자신의 의무라고 생각했다. Moseley는 1915년 4월에 시작하여 Turkey의 Gallipoli 전투에서 통신 기술 장교로 근무했으며, 그곳에서 1915년 8월 10일 전사했다. Moseley는 군사 명령에 전화를 거는 행위 중에 Turkish 저격수에게 머리에 맞았다.
사망 당시 27세에 불과했던 Moseley는 일부 과학자들의 견해로는 생존했다면 원자 구조에 대한 지식에 많은 기여를 했을 수 있었을 것이다. Niels Bohr는 1962년에 Rutherford의 업무가 "전혀 심각하게 받아들여지지 않았으며" "큰 변화는 Moseley에서 나왔다"고 말했다.
Robert Millikan은 "과학 역사의 가장 뛰어난 12개 중 하나로 입증되고, 구상에서 독창적이고, 실행에서 능숙하며, 결과에서 조명하는 연구에서, 26세의 젊은이는 이전에 꿈도 꾸지 못했던 확실성과 명확성으로 우리가 원자 하위 세계를 엿볼 수 있는 창들을 열었다. 유럽 전쟁이 이 젊은 생명을 소멸시키는 것 외에 다른 결과를 낳지 않았다면, 그것 자체가 역사상 가장 무서운 그리고 가장 복구 불가능한 범죄 중 하나가 되었을 것이다."고 썼다.
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