Henry Moseley i odkrycie liczby atomowej

Kłopot z masą atomową

Przez ponad 40 lat po Mendelejewie układ okresowy był porządkowany według masy atomowej, z kilkoma kłopotliwymi wyjątkami. Argon jest cięższy od potasu, kobalt jest cięższy od niklu, a tellur jest cięższy od jodu, a jednak w każdej parze cięższy pierwiastek wyraźnie należy na pierwszym miejscu. Chemicy nie potrafili też stwierdzić, ile pierwiastków ziem rzadkich wciąż czeka na odkrycie, ponieważ ich masy atomowe były do siebie tak zbliżone.

W 1911 roku Ernest Rutherford wykazał, że atom ma maleńkie, dodatnio naładowane jądro. Wkrótce potem holenderski uczony Antonius van den Broek zasugerował, że pozycja pierwiastka w układzie może być równa ładunkowi tego jądra. Moseley postanowił sprawdzić ten pomysł.

Eksperyment rentgenowski Moseleya

Henry Gwyn Jeffreys Moseley, urodzony w 1887 roku, dołączył do laboratorium Rutherforda na Uniwersytecie w Manchesterze po studiach w Oksfordzie. Używał próbek różnych pierwiastków jako tarcz w lampie rentgenowskiej i mierzył długości fal promieni X wysyłanych przez każdą z nich, odbijając je od kryształu, techniką niedawno opracowaną przez Williama Henry'ego Bragga i jego syna Lawrence'a. Pod koniec 1913 roku opublikował wyniki dla pierwiastków od wapnia do cynku, a w 1914 roku rozszerzył pracę na większość pierwiastków od glinu do złota.

Wynik był niezwykle prosty. Pierwiastek kwadratowy z częstotliwości najsilniejszej linii rentgenowskiej każdego pierwiastka rósł o niemal ten sam krok od jednego pierwiastka do następnego. Ta zależność jest dziś znana jako prawo Moseleya.

Liczba atomowa przejmuje rolę

Moseley doszedł do wniosku, że każdy pierwiastek ma w jądrze o jedną jednostkę ładunku dodatniego więcej niż poprzedni. Ta liczba całkowita, liczba atomowa, naprawdę wyznacza miejsce pierwiastka; dziś wiemy, że jest równa liczbie protonów w jądrze. Uporządkowanie według liczby atomowej postawiło argon przed potasem, kobalt przed niklem i tellur przed jodem bez potrzeby wyjątków, a prawo okresowości sformułowano na nowo: właściwości powtarzają się wraz z liczbą atomową, a nie masą atomową.

Ujawnione luki

Ponieważ liczby atomowe są liczbami całkowitymi, metoda Moseleya mogła policzyć pierwiastki. Pokazała, że wciąż brakuje pierwiastków o liczbach atomowych 43, 61, 72 i 75, a także pozwoliła ustalić, ile lantanowców istnieje między lantanem (57) a lutetem (71). Luki wypełniono w ciągu następnych trzech dekad: hafn (72) w 1923 roku, ren (75) w 1925, technet (43) w 1937 i promet (61) w 1945. Hafn i ren wytropiono za pomocą spektroskopii rentgenowskiej, metody, której Moseley był pionierem.

Śmierć pod Gallipoli

Gdy w 1914 roku wybuchła I wojna światowa, Moseley zgłosił się na ochotnika do armii brytyjskiej i został oficerem łączności w Royal Engineers. Zginął w walce pod Gallipoli, na terenie dzisiejszej Turcji, 10 sierpnia 1915 roku, w wieku 27 lat. Rutherford napisał jego nekrolog w czasopiśmie „Nature”, a wielu uczonych uważało jego śmierć za jedną z największych strat nauki w czasie wojny. W zaledwie kilka lat badań Moseley dał układowi okresowemu fundament, na którym wciąż stoi.