Генри Мозли - Henry Moseley

Генри Мозли
Генри Мозли (1887-1915) .jpg
Мозли в 1914 году
Родился
Генри Гвин Джеффрис Мозли

( 1887-11-23 )23 ноября 1887 г.
Умер 10 августа 1915 г. (1915-08-10)(27 лет)
Причиной смерти Погиб в бою
Национальность английский
Гражданство Британский
Образование Summer Fields School
Итонский колледж
Альма-матер Тринити-колледж Оксфордского
университета Манчестера
Известен Атомный номер , закон Мозли
Награды Медаль Маттеуччи (1919)
Научная карьера
Поля Физика , химия
Влияния Эрнест Резерфорд

Генри Гвин Джеффрис Мозли ( / м г л я / ; 23 ноября 1887 - 10 августа 1915) , был английский физик , чей вклад в науку о физике было обоснование физических законов предыдущего эмпирического и химического понятия об атомной номер . 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 атома водорода, который теория Бора была разработана для воспроизведения. Эта теория уточнила модель Эрнеста Резерфорда и Антониуса ван ден Брука , согласно которой атом содержит в своем ядре количество положительных ядерных зарядов , равное его (атомному) номеру в периодической таблице. Эта модель остается общепринятой и сегодня.

Когда Первая мировая война вспыхнула в Западной Европе , Мозли оставил свою исследовательскую работу в Оксфордском университете за доброволец на Королевских Инженер в британской армии . Мозли был назначен в отряд солдат Британской империи , вторгшихся в регион Галлиполи , Турция, в апреле 1915 года в качестве офицера связи . Мозли был застрелен во время битвы при Галлиполи 10 августа 1915 года в возрасте 27 лет. Эксперты предполагают, что иначе Мозли мог бы получить Нобелевскую премию 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 еще совсем молод, был биологом, а также профессором анатомии и физиологии. в Оксфордском университете, который был участником 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 Школе Саммер Филдс (где в его честь названа одна из четырех «лиг»), и ему была присуждена королевская стипендия для учебы в Итонском колледже . В 1906 году он получил в Итоне премии по химии и физике. В 1906 году Мозли поступил в Тринити-колледж Оксфордского университета, где получил степень бакалавра . Во время учебы в Оксфорде Мозли присоединился к Университетской Ложе Аполлона . Сразу после окончания Оксфорда в 1910 году Мозли стал демонстратором физики в Манчестерском университете под руководством сэра Эрнеста Резерфорда . В течение первого года обучения Мозли в Манчестере у него была преподавательская нагрузка в качестве старшего ассистента преподавателя , но после этого первого года он был переведен с преподавательских обязанностей на работу в качестве старшего научного сотрудника . Он отказался от стипендии, предложенной Резерфордом, предпочтя вернуться в Оксфорд в ноябре 1913 года, где ему предоставили лабораторные условия, но не поддержали.

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 МэВ, необходимую для остановки частиц.

В 1913 году Мозли наблюдал и измерял рентгеновские спектры различных химических элементов (в основном металлов), которые были обнаружены методом дифракции через кристаллы . Это было пионером в использовании метода рентгеновской спектроскопии в физике с использованием закона дифракции Брэгга для определения длин волн рентгеновского излучения. Мозли обнаружил систематическую математическую связь между длинами волн производимого рентгеновского излучения и атомными номерами металлов, которые использовались в качестве мишеней в рентгеновских трубках. Это стало известно как закон Мозли .

До открытия Мозли атомные номера (или номер элемента) элемента считались полу-произвольным порядковым номером, основанным на последовательности атомных масс , но несколько изменялись там, где химики сочли эту модификацию желательной, например, с помощью русский химик Дмитрий Иванович Менделеев . В своем изобретении Периодической таблицы элементов Менделеев поменял местами несколько 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, что привело бы к их расположению в обратном порядке, если бы они были помещены в Периодическую таблицу вслепую в соответствии с атомной массой. Эксперименты Мозли по рентгеновской спектроскопии показали, прямо из их физики, что кобальт и никель имеют разные атомные номера, 27 и 28, и что они правильно помещены в Периодическую таблицу с помощью объективных измерений 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 под номерами 43, 61, 72 и 75 были пробелы. В настоящее время известно, что эти пробелы являются, соответственно, местами радиоактивных синтетических элементов технеция и прометия , а также последних два довольно редких встречающихся в природе стабильных элемента - гафний (обнаружен в 1923 г.) и рений (открыт в 1925 г.). Об этих четырех элементах при жизни Мозли ничего не было известно, даже о самом их существовании. Основываясь на интуиции очень опытного химика , Дмитрий Менделеев предсказал существование недостающего элемента в Периодической таблице, которая, как позже выяснилось, была заполнена технецием, а Богуслав Браунер предсказал существование еще одного недостающего элемента в этой таблице. который позже был обнаружен заполненным прометием. Эксперименты Генри Мозли подтвердили эти предсказания, показав, какие именно отсутствующие атомные номера были 43 и 61. Кроме того, Мозли предсказал существование еще двух неоткрытых элементов, элементов с атомными номерами 72 и 75, и дал очень убедительные доказательства того, что Не было других пробелов в Периодической таблице между элементами алюминия (атомный номер 13) и золота (атомный номер 79).

Последний вопрос о возможности появления большего количества неоткрытых («отсутствующих») элементов был постоянной проблемой среди химиков всего мира, особенно с учетом существования большого семейства редкоземельных элементов лантанидного ряда . Мозли смог продемонстрировать, что эти элементы лантаноидов, то есть от лантана до лютеция , должны иметь ровно 15 членов - не больше и не меньше. Число элементов в лантаноидах было вопросом, который далеко не решался химиками начала 20 века. Они еще не могли производить чистые образцы всех редкоземельных элементов, даже в форме их солей , а в некоторых случаях они не могли отличить смеси двух очень похожих (соседних) редкоземельных элементов от близлежащих чистых металлов. в Периодической таблице. Например, был так называемый «элемент», которому даже было дано химическое название « дидим ». Несколько лет спустя было обнаружено, что «дидимий» представляет собой просто смесь двух настоящих редкоземельных элементов, которым дали названия неодим и празеодим , что означает «новый близнец» и «зеленый двойник». Кроме того, во времена Мозли еще не был изобретен метод разделения редкоземельных элементов методом ионного обмена .

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

Вклад в понимание атома

До Мозли и его закона атомные числа рассматривались как полупроизвольные порядковые числа, неопределенно возрастающие с атомным весом, но не строго определяемые им. Открытие Мозли показало, что атомные номера не были присвоены произвольно, но, скорее, они имеют определенную физическую основу. Мозли предположил, что каждый последующий элемент имеет ядерный заряд ровно на единицу больше, чем его предшественник. Мозли пересмотрел идею атомных чисел из ее предыдущего статуса как специальный числовой тег, чтобы помочь отсортировать элементы в точную последовательность возрастающих атомных номеров, что сделало Периодическую таблицу точной. (Позже это должно было стать основой принципа Ауфбау в атомных исследованиях.) Как отмечал Бор, закон Мозли предоставил достаточно полный экспериментальный набор данных, который поддерживал (новую с 1911 г.) 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 число положительных зарядов (позже обнаруженных и названных протонами ) в центральных атомных ядрах элементов. Мозли упомянул вышеупомянутых двух ученых в своей исследовательской работе, но на самом деле не упомянул Бора, который тогда был довольно новичком на сцене. Было обнаружено, что простая модификация формул Ридберга и Бора дает теоретическое обоснование эмпирически выведенного закона Мозли для определения атомных номеров.

Использование рентгеновского спектрометра

BigMoseleyCard.jpg

Рентгеновские спектрометры являются краеугольным камнем рентгеновской кристаллографии . Рентгеновские спектрометры в том виде, в каком их знал Мозли, работали следующим образом. Использовалась электронная лампа со стеклянной колбой , похожая на ту, что держал Мозли на фотографии. Внутри вакуумной трубки, электроны были выпущены на металлическом веществе (т.е. образец чистого элемента в работе Мозли), в результате чего ионизацию из электрона из внутренних электронных оболочек элемента. Отскок электронов в эти отверстия во внутренних оболочках затем вызывает испускание рентгеновских фотонов , которые выводятся из трубки в виде полусухого луча через отверстие во внешней защите от рентгеновского излучения. Затем они дифрагируют на стандартизированном кристалле соли, при этом угловые результаты считываются в виде фотографических линий путем экспонирования 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 вычислить длину волны испускаемого рентгеновского излучения.

Мозли участвовал в проектировании и разработке раннего оборудования для рентгеновской спектрометрии, обучаясь некоторым методам у Уильяма Генри Брэгга и Уильяма Лоуренса Брэгга из Университета Лидса , а также самостоятельно разрабатывая другие. Многие методы рентгеновской спектроскопии были вдохновлены методами, которые используются со спектроскопами и спектрограммами видимого света , путем замены кристаллов, ионизационных камер и фотографических пластинок на их аналоги в световой спектроскопии . В некоторых случаях Мозли считал необходимым модифицировать свое оборудование для обнаружения особенно мягких [ низкочастотных ] рентгеновских лучей, которые не могли проникать ни в воздух, ни в бумагу, работая с его инструментами в вакуумной камере .

Смерть и последствия

Где-то в первой половине 1914 года Мозли ушел со своей должности в Манчестере с планами вернуться в Оксфорд и продолжить там свои исследования в области физики. Однако в августе 1914 года разразилась Первая мировая война , и Мозли отклонил это предложение о работе, чтобы вместо этого поступить 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 по связи во время битвы при Галлиполи в Турции , начиная с апреля 1915 года, где он был убит в бою 10 августа 1915 года. Мозли был убит выстрелом в голову турецким снайпером, когда звонил по телефону. военный заказ.

Голубой налет возведена Королевского химического общества на Townsend здания в лаборатории Кларендонской в Оксфорде в 2007 году, в честь исследовательской работы Мозли в начале 20-го века на рентгеновских лучей , испускаемых элементами.

По мнению некоторых ученых, Мозли, которому на момент смерти было всего двадцать семь лет, мог бы внести большой вклад в познание атомной структуры, если бы он выжил. Нильс Бор сказал в 1962 году, что работы Резерфорда «вообще не воспринимались всерьез» и что «великая перемена произошла от Мозли».

Роберт Милликен писал: «В исследовании, которому суждено войти в десятку самых блестящих по концепции, умелых в исполнении и проливающих свет результатов в истории науки, молодой человек двадцати шести лет распахнул окна через что мы можем взглянуть на субатомный мир с определенностью и уверенностью, о которой никогда не мечтали раньше. Если бы европейская война не привела к другому результату, кроме уничтожения этой молодой жизни, это одно только сделало бы ее одним из самых ужасных и непоправимых преступлений. в истории."

Джордж Сартон писал: «Его слава уже была основана на таком надежном основании, что его память навсегда останется зеленой. Он - один из бессмертных в науке, и хотя он внес бы много других дополнений в наши знания, если бы его жизнь была сохранена. , вклады, уже приписанные ему, имели такое фундаментальное значение, что вероятность того, что он превзойдет самого себя, была чрезвычайно мала. Весьма вероятно, что как бы долго он ни жил, о нем в основном вспоминали из-за «закона Мозли», который он опубликовал. в возрасте двадцати шести лет ".

Айзек Азимов писал: «С учетом того, что он [Мозли] мог еще совершить ... его смерть вполне могла быть самой дорогостоящей смертью в войне для человечества в целом». Айзек Азимов также предположил, что, если бы он не был убит во время службы Британской империи, Мозли вполне мог быть удостоен Нобелевской премии по физике в 1916 году, которая, наряду с премией по химии, не была присуждается любому в этом году. Дополнительное доверие к этой идее придается тем, что отмечены лауреаты Нобелевской премии по физике за два предшествующих года, 1914 и 1915, а также в следующем, 1917 году. В 1914 году Макс фон Лауэ из Германии получил Нобелевскую премию по физике за его открытие дифракции рентгеновских лучей на кристаллах, что стало решающим шагом на пути к изобретению рентгеновской спектроскопии . Затем, в 1915 году, Уильям Генри Брэгг и Уильям Лоуренс Брэгг , пара британских отца и сына, разделили эту Нобелевскую премию за открытия в обратной задаче - определение структуры кристаллов с помощью рентгеновских лучей (Роберт Чарльз Брэгг, другие исследования Уильяма Генри Брэгга). сын, также был убит в Галлиполи 2 сентября 1915 г.). Затем Мозли использовал дифракцию рентгеновских лучей на известных кристаллах при измерении рентгеновских спектров металлов. Это было первое использование рентгеновской спектроскопии, а также еще один шаг к созданию рентгеновской кристаллографии . Кроме того, методы и анализ Мозли в значительной степени подтвердили концепцию атомного числа , поставив ее на прочный, физический фундамент. Более того, Чарльз Баркла из Великобритании был удостоен Нобелевской премии в 1917 году за свою экспериментальную работу по использованию рентгеновской спектроскопии для обнаружения характерных частот рентгеновского излучения, излучаемого различными элементами, особенно металлами. « Зигбан , продолжавший работу Мозли, получил одну [Нобелевскую премию по физике в 1924 году]». Таким образом, открытия Мозли были того же масштаба, что и открытия его коллег, и, кроме того, Мозли сделал еще больший шаг, продемонстрировав действительное основание атомных чисел. Эрнест Резерфорд прокомментировал, что работа Мозли «позволила ему завершить в течение двух лет в начале своей карьеры ряд исследований, которые наверняка принесли бы ему Нобелевскую премию».

Мемориальные доски Мозли были установлены в Манчестере и Итоне, а вторым получателем стипендии Королевского общества , учрежденной по его воле, стал физик П.М.С. Блэкетт , который позже стал президентом Общества.

Институт физики Мозли медаль и премию назван в его честь.

Примечания

использованная литература

дальнейшее чтение

внешние ссылки