Henry Moseley và phát hiện về số hiệu nguyên tử

Rắc rối của khối lượng nguyên tử

Hơn 40 năm sau Mendeleev, bảng tuần hoàn vẫn được sắp xếp theo khối lượng nguyên tử, với vài ngoại lệ khó xử. Argon nặng hơn kali, coban nặng hơn niken và telu nặng hơn iot, nhưng trong mỗi cặp, nguyên tố nặng hơn rõ ràng phải đứng trước. Các nhà hóa học cũng không thể biết còn bao nhiêu nguyên tố đất hiếm đang chờ được tìm ra, vì khối lượng nguyên tử của chúng quá gần nhau.

Năm 1911, Ernest Rutherford chứng minh rằng nguyên tử có một hạt nhân rất nhỏ mang điện tích dương. Ngay sau đó, nhà khoa học người Hà Lan Antonius van den Broek gợi ý rằng vị trí của một nguyên tố trong bảng có thể bằng điện tích của hạt nhân đó. Moseley bắt tay vào kiểm tra ý tưởng này.

Thí nghiệm tia X của Moseley

Henry Gwyn Jeffreys Moseley, sinh năm 1887, gia nhập phòng thí nghiệm của Rutherford tại Đại học Manchester sau khi học ở Oxford. Ông dùng các mẫu của những nguyên tố khác nhau làm bia trong một ống tia X và đo bước sóng của tia X mà mỗi mẫu phát ra bằng cách cho chúng phản xạ từ một tinh thể, một kĩ thuật mới được William Henry Bragg và con trai ông là Lawrence phát triển. Cuối năm 1913, ông công bố kết quả cho các nguyên tố từ canxi đến kẽm, và năm 1914 ông mở rộng công trình sang hầu hết các nguyên tố từ nhôm đến vàng.

Kết quả đơn giản đến đáng kinh ngạc. Căn bậc hai của tần số vạch tia X mạnh nhất của mỗi nguyên tố tăng lên gần như cùng một bước từ nguyên tố này sang nguyên tố tiếp theo. Mối quan hệ này nay được gọi là định luật Moseley.

Số hiệu nguyên tử lên ngôi

Moseley kết luận rằng mỗi nguyên tố có hạt nhân mang nhiều hơn một đơn vị điện tích dương so với nguyên tố đứng trước nó. Số nguyên đó, số hiệu nguyên tử, mới thực sự cố định vị trí của một nguyên tố; ngày nay chúng ta biết nó bằng số proton trong hạt nhân. Sắp xếp theo số hiệu nguyên tử đặt argon trước kali, coban trước niken và telu trước iot mà không cần ngoại lệ nào, và định luật tuần hoàn được phát biểu lại: tính chất lặp lại theo số hiệu nguyên tử, chứ không phải khối lượng nguyên tử.

Những chỗ trống được phơi bày

Vì số hiệu nguyên tử là số nguyên, phương pháp của Moseley có thể đếm các nguyên tố. Nó cho thấy các nguyên tố có số hiệu nguyên tử 43, 61, 72 và 75 vẫn còn thiếu, và giúp xác định được có bao nhiêu lantanoit tồn tại giữa lantan (57) và lutexi (71). Các chỗ trống được lấp đầy trong ba thập kỉ tiếp theo: hafni (72) năm 1923, reni (75) năm 1925, tecneti (43) năm 1937 và prometi (61) năm 1945. Cả hafni và reni đều được truy ra bằng quang phổ tia X, phương pháp mà Moseley đã tiên phong.

Cái chết tại Gallipoli

Khi Thế chiến thứ nhất bắt đầu năm 1914, Moseley tình nguyện gia nhập Quân đội Anh và trở thành sĩ quan thông tin trong Công binh Hoàng gia. Ông tử trận tại Gallipoli, thuộc Thổ Nhĩ Kỳ ngày nay, vào ngày 10 tháng 8 năm 1915, khi mới 27 tuổi. Rutherford viết cáo phó của ông trên tạp chí Nature, và nhiều nhà khoa học coi cái chết của ông là một trong những mất mát lớn nhất của khoa học trong cuộc chiến. Chỉ trong vài năm nghiên cứu, Moseley đã trao cho bảng tuần hoàn nền tảng mà nó vẫn dựa vào đến ngày nay.