Henry Moseley und die Entdeckung der Ordnungszahl
Henry Moseley war ein englischer Physiker, der 1913 zeigte, dass der Platz jedes Elements im Periodensystem durch seine Ordnungszahl, die positive Ladung seines Kerns, bestimmt wird und nicht durch sein Atomgewicht. Seine Röntgenmessungen erklärten die vertauschten Paare der Tabelle und zeigten genau, welche Elemente noch fehlten.
Das Problem mit dem Atomgewicht
Mehr als 40 Jahre nach Mendelejew war das Periodensystem nach Atomgewicht geordnet, mit einigen unangenehmen Ausnahmen. Argon ist schwerer als Kalium, Cobalt ist schwerer als Nickel und Tellur ist schwerer als Iod, doch in jedem Paar gehört das schwerere Element eindeutig davor. Außerdem konnten Chemiker nicht sagen, wie viele Seltenerdmetalle noch zu entdecken waren, weil ihre Atomgewichte so dicht beieinanderlagen.
1911 zeigte Ernest Rutherford, dass ein Atom einen winzigen, positiv geladenen Kern hat. Bald darauf schlug der niederländische Wissenschaftler Antonius van den Broek vor, die Position eines Elements in der Tabelle könnte der Ladung dieses Kerns entsprechen. Moseley machte sich daran, diese Idee zu prüfen.
Moseleys Röntgenexperiment
Henry Gwyn Jeffreys Moseley, geboren 1887, schloss sich nach seinem Studium in Oxford Rutherfords Labor an der University of Manchester an. Er verwendete Proben verschiedener Elemente als Targets in einer Röntgenröhre und maß die Wellenlängen der von jedem ausgesandten Röntgenstrahlen, indem er sie an einem Kristall reflektieren ließ, eine Technik, die kurz zuvor von William Henry Bragg und seinem Sohn Lawrence entwickelt worden war. Ende 1913 veröffentlichte er Ergebnisse für die Elemente von Calcium bis Zink, und 1914 dehnte er die Arbeit auf die meisten Elemente von Aluminium bis Gold aus.
Das Ergebnis war bemerkenswert einfach. Die Quadratwurzel der Frequenz der stärksten Röntgenlinie jedes Elements stieg von einem Element zum nächsten um fast denselben Schritt. Dieser Zusammenhang ist heute als Moseleysches Gesetz bekannt.
Die Ordnungszahl übernimmt
Moseley folgerte, dass jedes Element in seinem Kern eine Einheit positiver Ladung mehr hat als das vorherige. Diese ganze Zahl, die Ordnungszahl, legt den Platz eines Elements wirklich fest; heute wissen wir, dass sie der Zahl der Protonen im Kern entspricht. Die Ordnung nach Ordnungszahl stellte Argon vor Kalium, Cobalt vor Nickel und Tellur vor Iod, ohne dass Ausnahmen nötig waren, und das Periodengesetz wurde neu formuliert: Die Eigenschaften wiederholen sich mit der Ordnungszahl, nicht mit dem Atomgewicht.
Lücken sichtbar gemacht
Weil Ordnungszahlen ganze Zahlen sind, konnte Moseleys Methode die Elemente abzählen. Sie zeigte, dass die Elemente mit den Ordnungszahlen 43, 61, 72 und 75 noch fehlten, und machte es möglich zu klären, wie viele Lanthanoide zwischen Lanthan (57) und Lutetium (71) existieren. Die Lücken wurden in den folgenden drei Jahrzehnten gefüllt: Hafnium (72) 1923, Rhenium (75) 1925, Technetium (43) 1937 und Promethium (61) 1945. Hafnium und Rhenium wurden beide mithilfe der Röntgenspektroskopie aufgespürt, der Methode, die Moseley eingeführt hatte.
Tod bei Gallipoli
Als 1914 der Erste Weltkrieg begann, meldete sich Moseley freiwillig zur britischen Armee und wurde Fernmeldeoffizier bei den Royal Engineers. Er fiel am 10. August 1915 bei Gallipoli im heutigen Türkei im Alter von 27 Jahren. Rutherford schrieb seinen Nachruf in der Zeitschrift „Nature“, und viele Wissenschaftler betrachteten seinen Tod als einen der größten Verluste des Krieges für die Wissenschaft. In nur wenigen Forschungsjahren hatte Moseley dem Periodensystem das Fundament gegeben, auf dem es noch heute ruht.