Генри Мозли

Чтобы узнать о других людях по имени Генри Мозли, см. Генри Мозли (значения) .

Генри Мозли
Мозли в 1914 году
Рожденный	Генри Гвин Джеффрис Мозли ( 1887-11-23 ) 23 ноября 1887 г. Уэймут , Дорсет , Англия
Умер	10 августа 1915 г. (10 августа 1915 г.) (27 лет) Галлиполи , Османская империя
Причина смерти	Убит в бою
Образование	Летняя полевая школа Итонский колледж
Альма-матер	Тринити-колледж, Оксфорд Манчестерский университет
Известный	Атомный номер , закон Мозли.
Награды	Медаль Маттеуччи (1919 г.)
Научная карьера
Поля	Физика , химия

Генри Гвин Джеффрис Мозли ( / ˈ m oʊ z l i / ; 23 ноября 1887 — 10 августа 1915) — английский физик , вкладом которого в было физику обоснование с помощью физических законов предшествующей эмпирической и химической концепции атомного число . Это произошло из-за его разработки закона Мозли в рентгеновских спектрах .

Закон Мозли продвинул атомную физику, ядерную физику и квантовую физику, предоставив первые экспериментальные доказательства в пользу теории Нильса Бора , помимо спектра атомов водорода, для воспроизведения которого была разработана теория Бора. Эта теория усовершенствовала Эрнеста Резерфорда и Антониуса ван ден Брока модель , которые предполагали, что атом содержит в своем ядре количество положительных ядерных зарядов , равное его (атомному) номеру в периодической таблице.

Когда Первая мировая война разразилась в Западной Европе , Мозли оставил свою исследовательскую работу в Оксфордском университете и поступил добровольцем в ряды королевских инженеров британской армии . в отряд солдат Британской империи , вторгшихся в регион Галлиполи , Турция, в апреле 1915 года Мозли был назначен офицером связи . Мозли был застрелен во время битвы при Галлиполи 10 августа 1915 года в возрасте 27 лет. Эксперты предположили, что в противном случае Мозли мог бы быть удостоен Нобелевской премии по физике в 1916 году.

Биография

Генри Дж. Дж. Мозли, известный своим друзьям как Гарри, родился в Уэймуте в Дорсете в 1887 году. Его отец Генри Ноттидж Мозли (1844–1891), умерший, когда Мозли был совсем молодым, был биологом, а также профессором анатомии и физиологии Оксфордского университета, который был членом экспедиции Челленджер ​ . Матерью Мозли была Амабель Гвин Джеффрис, дочь валлийского биолога и конхолога Джона Гвина Джеффриса . Она также была чемпионкой Великобритании по шахматам среди женщин в 1913 году.

Мозли был очень многообещающим школьником в Летней школе Филдс (где одна из четырех «лиг» названа в его честь), и ему была присуждена Королевская стипендия для обучения в Итонском колледже . 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 . Будучи студентом Оксфорда, Мозли стал масоном, присоединившись к Университетской ложе Аполлона . Сразу после окончания Оксфорда в 1910 году Мозли стал демонстратором по физике в Манчестерском университете под руководством сэра Эрнеста Резерфорда . В течение первого года обучения Мозли в Манчестере он выполнял преподавательскую нагрузку в качестве ассистента преподавателя , но после этого первого года его перевели с преподавательских обязанностей на работу в качестве ассистента-исследователя . Он отказался от стипендии, предложенной Резерфордом, предпочтя вернуться в Оксфорд в ноябре 1913 года, где ему предоставили лабораторное оборудование, но не оказали никакой поддержки.

Научная работа

Экспериментируя с энергией бета-частиц в 1912 году, Мозли показал, что высокие потенциалы могут быть достигнуты с помощью радиоактивного источника радия, тем самым изобретая первую атомную батарею , хотя он не смог произвести 1 МВ, необходимый для остановки частиц.

В 1913 году Мозли наблюдал и измерял рентгеновские спектры различных химических элементов (главным образом металлов), обнаруженных методом дифракции на кристаллах . Это было новаторское использование метода рентгеновской спектроскопии в физике с использованием закона дифракции Брэгга для определения длин волн рентгеновских лучей. Мозли обнаружил систематическую математическую связь между длинами волн производимых рентгеновских лучей и атомными номерами металлов, которые использовались в качестве мишеней в рентгеновских трубках. Это стало известно как закон Мозли .

До открытия Мозли атомные номера (или элементные номера) элементов считались полупроизвольными последовательными числами, основанными на последовательности атомных масс , но несколько модифицированными там, где химики находили эту модификацию желательной, например, русский химик Дмитрий Иванович Менделеев . В своем изобретении Периодической таблицы элементов Менделеев поменял местами порядок нескольких пар элементов, чтобы поместить их в более подходящие места в этой таблице элементов. Например, металлам кобальту и никелю были присвоены атомные номера 27 и 28 соответственно на основании их известных химических и физических свойств, хотя они имеют почти одинаковые атомные массы. Фактически, атомная масса кобальта немного больше, чем у никеля, поэтому никель был бы помещен в периодическую таблицу Менделеева раньше кобальта, если бы их размещали исключительно в соответствии с атомной массой. Однако эксперименты Мозли в рентгеновской спектроскопии непосредственно из их физики показали, что кобальт и никель имеют разные атомные номера, 27 и 28, и что они правильно размещены в Периодической таблице благодаря объективным измерениям Мозли их атомных номеров. Таким образом, открытие Мозли продемонстрировало, что атомные номера элементов — это не просто произвольные числа, основанные на химии и интуиции химиков, но, скорее, они имеют прочную экспериментальную основу из физики их рентгеновских спектров.

Кроме того, Мозли показал, что в последовательности атомных номеров имеются пробелы под номерами 43, 61, 72 и 75. Сейчас известно, что эти пробелы являются соответственно местами расположения радиоактивных синтетических элементов технеция и прометия , а также последнего два довольно редких встречающихся в природе стабильных элемента: гафний (обнаружен в 1923 г.) и рений (обнаружен в 1925 г.). При жизни Мозли об этих четырех элементах ничего не было известно, даже о самом их существовании. Основываясь на интуиции очень опытного химика , Дмитрий Менделеев предсказал существование недостающего элемента в Таблице Менделеева, которая, как позже выяснилось, была заполнена технецием, а Богуслав Браунер предсказал существование еще одного недостающего элемента в этой Таблице, который, как позже выяснилось, был заполнен прометием. Эксперименты Генри Мозли подтвердили эти предсказания, показав, какие именно атомные номера были недостающими: 43 и 61. Кроме того, Мозли предсказал существование еще двух неоткрытых элементов, с атомными номерами 72 и 75, и дал очень убедительные доказательства того, что существуют других пробелов в таблице Менделеева между элементами не было. алюминий (атомный номер 13) и золото (атомный номер 79).

Этот последний вопрос о возможности существования большего количества неоткрытых («пропавших без вести») элементов был постоянной проблемой среди химиков всего мира, особенно учитывая существование большого семейства лантаноидов из ряда редкоземельных элементов . Мозли смог продемонстрировать, что эти элементы-лантаниды, то есть от лантана до лютеция , должны состоять ровно из 15 членов – не больше и не меньше. Число элементов в лантаноидах было вопросом, который был очень далек от решения химиками начала 20 века. Они еще не могли производить чистые образцы всех редкоземельных элементов, даже в виде их солей , а в некоторых случаях не могли отличить 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 ». Несколько лет спустя было обнаружено, что «Дидимий» представляет собой просто смесь двух настоящих редкоземельных элементов, и им были даны названия неодим и празеодим , что означает «новый близнец» и «зеленый близнец». метод разделения редкоземельных элементов методом ионного обмена Кроме того, во времена Мозли еще не был изобретен .

Метод Мозли в ранней рентгеновской спектроскопии позволил быстро решить вышеупомянутые химические проблемы, некоторые из которых занимали химиков в течение ряда лет. Мозли также предсказал существование элемента 61, лантаноида, о существовании которого ранее не подозревали. Спустя несколько лет этот элемент 61 был создан искусственно в ядерных реакторах и получил название прометий.

Вклад в понимание атома

До Мозли и его закона атомные номера считались полупроизвольными порядковыми числами, неопределенно увеличивающимися с атомным весом, но строго им не определявшимися. Открытие Мозли показало, что атомные номера не присваиваются произвольно, а имеют определенную физическую основу. Мозли постулировал, что каждый последующий элемент имеет ядерный заряд ровно на одну единицу больше, чем его предшественник. Мозли переопределил идею атомных номеров, отказавшись от ее прежнего статуса как специального числового тега, помогающего сортировать элементы в точную последовательность возрастающих атомных номеров, что делало Периодическую таблицу точной. (Позднее это стало основой принципа Ауфбау в атомных исследованиях.) Как отметил Бор, закон Мозли предоставил достаточно полный экспериментальный набор данных, которые поддержали (новую с 1911 года) концепцию Эрнеста Резерфорда и Антониуса ван ден Брука о атом с положительно заряженным ядром, окруженным отрицательно заряженными электронами , в котором атомный номер понимается как точное физическое количество положительных зарядов (позже открытое и названное протоны ) в центральных атомных ядрах элементов. Мозли упомянул двух учёных выше в своей исследовательской работе, но на самом деле он не упомянул Бора, который тогда был довольно новым человеком. Было обнаружено, что простые модификации формул Ридберга и Бора дают теоретическое обоснование эмпирически полученного закона Мозли для определения атомных номеров.

Использование рентгеновского спектрометра

Мозли в лабораториях Баллиол-Тринити в 1910 году.

Рентгеновские спектрометры являются краеугольным камнем рентгеновской кристаллографии . Рентгеновские спектрометры, какими их знал Мозли, работали следующим образом. со стеклянной колбой Была использована электронная лампа , похожая на ту, что была у Мозли на фотографии. Внутри вакуумной трубки электроны обстреливали металлическое вещество (т.е. образец чистого элемента в работе Мозли), вызывая ионизацию из внутренних электронов электронных оболочек элемента. Отскок электронов в эти отверстия во внутренних оболочках затем вызывает испускание рентгеновских фотонов , которые полупучком выводятся из трубки через отверстие во внешней рентгеновской защите. Затем они дифрагируются на стандартизированном кристалле соли, при этом угловые результаты считываются в виде фотографических линий при экспонировании рентгеновской пленки, закрепленной снаружи вакуумной трубки на известном расстоянии. Применение закона Брэгга (после некоторых первоначальных предположений о средних расстояниях между атомами в металлическом кристалле на основе его плотности) позволило затем рассчитать длину волны испускаемых рентгеновских лучей.

Мозли участвовал в проектировании и разработке первого оборудования для рентгеновской спектрометрии. изучая некоторые методы у Уильяма Генри Брэгга и Уильяма Лоуренса Брэгга в Университете Лидса , а другие разрабатывал сам. Многие методы рентгеновской спектроскопии были вдохновлены методами, которые используются со видимого света спектроскопами и спектрограммами кристаллами, ионизационными камерами и фотографическими пластинками , путем замены их аналогов в световой спектроскопии . В некоторых случаях Мозли счел необходимым модифицировать свое оборудование для обнаружения особо мягких (более низких частот ) рентгеновских лучей, которые не могли проникнуть ни в воздух, ни в бумагу, работая со своими приборами в вакуумной камере .

Смерть и последствия

Где-то в первой половине 1914 года Мозли подал в отставку со своей должности в Манчестере, планируя вернуться в Оксфорд и продолжить там свои физические исследования. Однако в августе 1914 года разразилась Первая мировая война , и Мозли отклонил это предложение о работе и вместо этого поступил на службу в Королевские инженеры британской армии . Его семья и друзья пытались убедить его не присоединяться, но он считал это своим долгом. Мозли служил техническим офицером связи во время битвы при Галлиполи в Турции , начиная с апреля 1915 года, где он был убит снайпером 10 августа 1915 года.

Синяя мемориальная доска, установленная Королевским химическим обществом на здании Таунсенда оксфордской лаборатории Кларендон в память о работе Мозли над рентгеновскими лучами, излучаемыми элементами.

На момент смерти Мозли было всего двадцать семь лет, и, по мнению некоторых ученых, он мог бы внести большой вклад в знание атомной структуры, если бы он выжил. Нильс Бор сказал в 1962 году, что работа Резерфорда «вообще не была воспринята всерьез» и что «великая перемена произошла благодаря Мозли».

Роберт Милликен писал: «В исследовании, которому суждено войти в число дюжины самых блестящих по замыслу, умелых в исполнении и проливающих свет на результаты в истории науки, молодой человек двадцати шести лет распахнул окна в который мы можем увидеть субатомный мир с определенностью и уверенностью, о которой никогда раньше не мечтали. Если бы Европейская война не имела иного результата, кроме уничтожения этой молодой жизни, одно это сделало бы ее одним из самых отвратительных и самых непоправимых преступлений. в истории».

Джордж Сартон писал: «Его слава уже утвердилась на таком прочном фундаменте, что память о нем будет вечно зеленой. Он один из бессмертных ученых, и хотя он внес бы много других дополнений в наши знания, если бы его жизнь была сохранена. Вклад, уже приписываемый ему, имел такое фундаментальное значение, что вероятность того, что он превзойдет самого себя, была крайне мала. Весьма вероятно, что, как бы долго он ни прожил, о нем будут помнить главным образом из-за опубликованного им «закона Мозли». в возрасте двадцати шести лет».

Айзек Азимов писал: «Принимая во внимание то, чего он [Мозли] еще мог достичь… его смерть вполне могла бы стать самой дорогой смертью за всю Войну для человечества в целом». Резерфорд считал, что работа Мозли принесла бы ему Нобелевскую премию (которая, однако, никогда не присуждается посмертно).

Мемориальные доски Мозли были установлены в Манчестере и Итоне, а стипендия Королевского общества , учрежденная по его завещанию, получила в качестве второго получателя физика П. М. Блэкетта , который позже стал президентом Общества. названы в Медаль и премия Института физики Генри Мозли его честь.

Дальнейшее чтение

• Яффе, Бернар (1971). Мозли и нумерация элементов . Гарден-Сити, Нью-Йорк: Anchor Books.