Henry Moseley et la découverte du numéro atomique

Le problème du poids atomique

Pendant plus de 40 ans après Mendeleïev, le tableau périodique a été ordonné par poids atomique, avec quelques exceptions gênantes. L'argon est plus lourd que le potassium, le cobalt plus lourd que le nickel et le tellure plus lourd que l'iode, pourtant dans chaque paire l'élément le plus lourd doit manifestement venir en premier. Les chimistes ne pouvaient pas non plus savoir combien de terres rares restaient à découvrir, car leurs poids atomiques étaient très proches.

En 1911, Ernest Rutherford a montré qu'un atome possède un minuscule noyau chargé positivement. Peu après, le scientifique néerlandais Antonius van den Broek a suggéré que la position d'un élément dans le tableau pourrait être égale à la charge de ce noyau. Moseley s'est mis en devoir de tester cette idée.

L'expérience de Moseley aux rayons X

Henry Gwyn Jeffreys Moseley, né en 1887, a rejoint le laboratoire de Rutherford à l'université de Manchester après avoir étudié à Oxford. Il a utilisé des échantillons de différents éléments comme cibles dans un tube à rayons X et a mesuré les longueurs d'onde des rayons X émis par chacun en les réfléchissant sur un cristal, une technique récemment mise au point par William Henry Bragg et son fils Lawrence. À la fin de 1913, il a publié des résultats pour les éléments du calcium au zinc, et en 1914 il a étendu le travail à la plupart des éléments de l'aluminium à l'or.

Le résultat était remarquablement simple. La racine carrée de la fréquence de la raie X la plus intense de chaque élément augmentait presque du même pas d'un élément au suivant. Cette relation est aujourd'hui connue sous le nom de loi de Moseley.

Le numéro atomique prend le relais

Moseley a conclu que chaque élément a une unité de charge positive de plus dans son noyau que l'élément précédent. Ce nombre entier, le numéro atomique, est ce qui fixe réellement la place d'un élément ; on sait aujourd'hui qu'il est égal au nombre de protons du noyau. Classer par numéro atomique a placé l'argon avant le potassium, le cobalt avant le nickel et le tellure avant l'iode sans aucune exception, et la loi périodique a été reformulée : les propriétés se répètent avec le numéro atomique, et non avec le poids atomique.

Des cases vides révélées

Comme les numéros atomiques sont des nombres entiers, la méthode de Moseley permettait de compter les éléments. Elle a montré que les éléments de numéros atomiques 43, 61, 72 et 75 manquaient encore, et elle a permis de déterminer combien de lanthanides existent entre le lanthane (57) et le lutécium (71). Les cases ont été comblées au cours des trois décennies suivantes : l'hafnium (72) en 1923, le rhénium (75) en 1925, le technétium (43) en 1937 et le prométhium (61) en 1945. L'hafnium et le rhénium ont tous deux été retrouvés grâce à la spectroscopie des rayons X, la méthode dont Moseley avait été le pionnier.

Mort à Gallipoli

Lorsque la Première Guerre mondiale a éclaté en 1914, Moseley s'est engagé comme volontaire dans l'armée britannique et est devenu officier des transmissions dans les Royal Engineers. Il a été tué au combat à Gallipoli, dans l'actuelle Turquie, le 10 août 1915, à l'âge de 27 ans. Rutherford a rédigé sa nécrologie dans la revue Nature, et de nombreux scientifiques ont considéré sa mort comme l'une des plus grandes pertes de la guerre pour la science. En quelques années de recherche seulement, Moseley avait donné au tableau périodique le fondement sur lequel il repose encore.