Henry Gwyn Jeffreys Moseley ( / ˈm oʊz l i / ; 23 de noviembre de 1887 - 10 de agosto de 1915) fue un físico inglés , cuya contribución a la ciencia de la física fue la justificación a partir de leyes físicas del concepto empírico y químico previo del número atómico . Esto se derivó de su desarrollo de la ley de Moseley en los espectros de rayos X.
La ley de Moseley hizo avanzar la física atómica, la física nuclear y la física cuántica al proporcionar la primera evidencia experimental a favor de la teoría de Niels Bohr , además del espectro del átomo de hidrógeno que la teoría de Bohr pretendía reproducir. Esa teoría refinó el modelo de Ernest Rutherford y Antonius van den Broek , que proponía que el átomo contiene en su núcleo una cantidad de cargas nucleares positivas que es igual a su número (atómico) en la tabla periódica. [1] [2]
Cuando estalló la Primera Guerra Mundial en Europa occidental , Moseley dejó atrás su trabajo de investigación en la Universidad de Oxford para presentarse como voluntario en el Cuerpo de Ingenieros Reales del Ejército Británico . Moseley fue asignado a la fuerza de soldados del Imperio Británico que invadió la región de Galípoli , Turquía, en abril de 1915, como oficial de telecomunicaciones . Moseley fue asesinado a tiros durante la Batalla de Galípoli el 10 de agosto de 1915, a la edad de 27 años. Los expertos han especulado que Moseley podría haber sido galardonado con el Premio Nobel de Física en 1916. [3] [4]
Henry GJ Moseley, conocido por sus amigos como Harry, [5] nació en Weymouth, Dorset , en 1887. Su padre, Henry Nottidge Moseley (1844-1891), que murió cuando Moseley era bastante joven, era biólogo y también profesor de anatomía y fisiología en la Universidad de Oxford, que había sido miembro de la expedición Challenger . La madre de Moseley era Amabel Gwyn Jeffreys, hija del biólogo y conchólogo galés John Gwyn Jeffreys . [6] También fue campeona británica femenina de ajedrez en 1913. [7] [8] [a]
Moseley había sido un colegial muy prometedor en la Summer Fields School (donde una de las cuatro "ligas" lleva su nombre), y recibió una beca del Rey para asistir al Eton College . [9] En 1906 ganó los premios de química y física en Eton. [10] En 1906, Moseley ingresó en el Trinity College de la Universidad de Oxford, donde obtuvo su licenciatura . Mientras era estudiante en Oxford, Moseley se convirtió en masón al unirse a la Logia Universitaria Apollo . [11] Inmediatamente después de graduarse en Oxford en 1910, Moseley se convirtió en demostrador de física en la Universidad de Manchester bajo la supervisión de Sir Ernest Rutherford . Durante el primer año de Moseley en Manchester, tuvo una carga docente como asistente de enseñanza de posgrado , pero después de ese primer año, fue reasignado de sus deberes docentes para trabajar como asistente de investigación de posgrado . Rechazó una beca ofrecida por Rutherford y prefirió regresar a Oxford en noviembre de 1913, donde le dieron instalaciones de laboratorio pero no apoyo. [12] : 95
Al experimentar con la energía de las partículas beta en 1912, Moseley demostró que se podían alcanzar altos potenciales a partir de una fuente radiactiva de radio, inventando así la primera batería atómica , aunque no pudo producir el 1MV necesario para detener las partículas. [13]
En 1913, Moseley observó y midió los espectros de rayos X de varios elementos químicos (principalmente metales) que se encontraron mediante el método de difracción a través de cristales . [14] Este fue un uso pionero del método de espectroscopia de rayos X en física, utilizando la ley de difracción de Bragg para determinar las longitudes de onda de los rayos X. Moseley descubrió una relación matemática sistemática entre las longitudes de onda de los rayos X producidos y los números atómicos de los metales que se usaban como objetivos en los tubos de rayos X. Esto se ha conocido como la ley de Moseley .
Antes del descubrimiento de Moseley, los números atómicos (o número elemental) de un elemento se consideraban un número secuencial semiarbitrario, basado en la secuencia de masas atómicas , pero modificados un poco cuando los químicos consideraban que esta modificación era deseable, como por ejemplo por el químico ruso, Dmitri Ivanovich Mendeleev . En su invención de la Tabla Periódica de los Elementos , Mendeleev había intercambiado los órdenes de algunos pares de elementos para colocarlos en lugares más apropiados en esta tabla de los elementos. Por ejemplo, a los metales cobalto y níquel se les habían asignado los números atómicos 27 y 28, respectivamente, basándose en sus propiedades químicas y físicas conocidas, a pesar de que tienen casi las mismas masas atómicas. De hecho, la masa atómica del cobalto es ligeramente mayor que la del níquel, por lo que el níquel se colocaría en la Tabla Periódica antes que el cobalto si se colocaran puramente de acuerdo con la masa atómica. Sin embargo, los experimentos de Moseley en espectroscopia de rayos X demostraron directamente a partir de su física que el cobalto y el níquel tienen números atómicos diferentes, 27 y 28, y que están colocados correctamente en la Tabla Periódica por las mediciones objetivas de Moseley de sus números atómicos. Por lo tanto, el descubrimiento de Moseley demostró que los números atómicos de los elementos no son simplemente números arbitrarios basados en la química y la intuición de los químicos, sino que tienen una base experimental firme a partir de la física de sus espectros de rayos X.
Además, Moseley demostró que había huecos en la secuencia de números atómicos en los números 43, 61, 72 y 75. Ahora se sabe que estos espacios son, respectivamente, los lugares de los elementos sintéticos radiactivos tecnecio y prometio , y también los dos últimos elementos estables bastante raros de origen natural hafnio (descubierto en 1923) y renio (descubierto en 1925). Nada se sabía sobre estos cuatro elementos en vida de Moseley, ni siquiera su propia existencia. Basándose en la intuición de un químico muy experimentado , Dmitri Mendeleev había predicho la existencia de un elemento faltante en la Tabla Periódica, que más tarde se descubrió que estaba ocupado por el tecnecio, y Bohuslav Brauner había predicho la existencia de otro elemento faltante en esta Tabla, que más tarde se descubrió que estaba ocupado por el prometio. Los experimentos de Henry Moseley confirmaron estas predicciones, al mostrar exactamente cuáles eran los números atómicos faltantes, 43 y 61. Además, Moseley predijo la existencia de dos elementos más no descubiertos, aquellos con los números atómicos 72 y 75, y dio evidencia muy sólida de que no había otros espacios vacíos en la Tabla Periódica entre los elementos aluminio (número atómico 13) y oro (número atómico 79).
Esta última cuestión sobre la posibilidad de que existan más elementos no descubiertos ("faltantes") ha sido un problema permanente entre los químicos del mundo, en particular dada la existencia de la gran familia de la serie de los lantánidos de los elementos de tierras raras . Moseley pudo demostrar que estos elementos lantánidos, es decir, del lantano al lutecio , deben tener exactamente 15 miembros, ni más ni menos. El número de elementos en los lantánidos había sido una cuestión que estaba muy lejos de ser resuelta por los químicos de principios del siglo XX. Todavía no podían producir muestras puras de todos los elementos de tierras raras, ni siquiera en forma de sus sales , y en algunos casos no podían distinguir entre mezclas de dos elementos de tierras raras muy similares (adyacentes) de los metales puros cercanos en la Tabla Periódica. Por ejemplo, había un llamado "elemento" al que incluso se le dio el nombre químico de " didimio ". Algunos años después se descubrió que el didimio era simplemente una mezcla de dos elementos de tierras raras genuinos, a los que se les dio los nombres de neodimio y praseodimio , que significan "nuevo gemelo" y "gemelo verde". Además, el método de separación de los elementos de tierras raras mediante el método de intercambio iónico aún no se había inventado en la época de Moseley.
El método de Moseley en la espectroscopia de rayos X temprana fue capaz de resolver rápidamente los problemas químicos antes mencionados, algunos de los cuales habían ocupado a los químicos durante varios años. Moseley también predijo la existencia del elemento 61, un lantánido cuya existencia era desconocida hasta entonces. Unos cuantos años después, este elemento 61 fue creado artificialmente en reactores nucleares y recibió el nombre de prometio. [15] [16] [17] [18] [19]
Antes de Moseley y su ley, los números atómicos se consideraban un número de ordenación semiarbitrario, que aumentaba vagamente con el peso atómico, pero que no estaba estrictamente definido por él. El descubrimiento de Moseley demostró que los números atómicos no se asignaban arbitrariamente, sino que tenían una base física definida. Moseley postuló que cada elemento sucesivo tiene una carga nuclear exactamente una unidad mayor que su predecesor. Moseley redefinió la idea de los números atómicos a partir de su condición previa como una etiqueta numérica ad hoc para ayudar a ordenar los elementos en una secuencia exacta de números atómicos ascendentes que hacían que la tabla periódica fuera exacta. (Esto sería más tarde la base del principio de Aufbau en los estudios atómicos.) Como señaló Bohr, la ley de Moseley proporcionó un conjunto de datos experimentales razonablemente completo que respaldaba la concepción (nueva a partir de 1911) de Ernest Rutherford y Antonius van den Broek del átomo, con un núcleo cargado positivamente rodeado de electrones cargados negativamente en el que el número atómico se entiende como el número físico exacto de cargas positivas (descubiertas más tarde y llamadas protones ) en los núcleos atómicos centrales de los elementos. Moseley mencionó a los dos científicos anteriores en su artículo de investigación, pero en realidad no mencionó a Bohr, que era bastante nuevo en la escena en ese momento. Se encontró que simples modificaciones de las fórmulas de Rydberg y Bohr daban una justificación teórica para la ley derivada empíricamente de Moseley para determinar los números atómicos.
Los espectrómetros de rayos X son las piedras angulares de la cristalografía de rayos X. Los espectrómetros de rayos X, como los conocía Moseley, funcionaban de la siguiente manera: se utilizaba un tubo electrónico con bulbo de vidrio , similar al que sostenía Moseley en la foto. Dentro del tubo de vacío, se disparaban electrones a una sustancia metálica (es decir, una muestra de elemento puro en el trabajo de Moseley), lo que provocaba la ionización de electrones de las capas electrónicas internas del elemento. El rebote de electrones en estos agujeros en las capas internas provoca a continuación la emisión de fotones de rayos X que se conducen fuera del tubo en un semihaz, a través de una abertura en el blindaje externo de rayos X. A continuación, estos se difractan mediante un cristal de sal estandarizado, y los resultados angulares se leen como líneas fotográficas mediante la exposición de una película de rayos X fijada en el exterior del tubo de vacío a una distancia conocida. La aplicación de la ley de Bragg (después de algunas conjeturas iniciales sobre las distancias medias entre los átomos en el cristal metálico, en función de su densidad) permitió luego calcular la longitud de onda de los rayos X emitidos.
Moseley participó en el diseño y desarrollo de los primeros equipos de espectrometría de rayos X, [20] [21] aprendiendo algunas técnicas de William Henry Bragg y William Lawrence Bragg en la Universidad de Leeds , y desarrollando otras él mismo. Muchas de las técnicas de espectroscopia de rayos X se inspiraron en los métodos que se utilizan con los espectroscopios y espectrogramas de luz visible , al sustituir cristales, cámaras de ionización y placas fotográficas por sus análogos en la espectroscopia de luz . En algunos casos, Moseley encontró necesario modificar su equipo para detectar rayos X particularmente suaves ( de frecuencia más baja ) que no podían penetrar ni el aire ni el papel, trabajando con sus instrumentos en una cámara de vacío .
En algún momento de la primera mitad de 1914, Moseley renunció a su puesto en Manchester, con planes de regresar a Oxford y continuar allí su investigación en física. Sin embargo, la Primera Guerra Mundial estalló en agosto de 1914, y Moseley rechazó esta oferta de trabajo para alistarse en los Ingenieros Reales del Ejército Británico . Su familia y amigos intentaron persuadirlo de que no se uniera, pero él pensó que era su deber. [22] Moseley sirvió como oficial técnico en comunicaciones durante la Batalla de Galípoli , en Turquía , que comenzó en abril de 1915, donde fue asesinado por un francotirador el 10 de agosto de 1915.
Según algunos científicos, Moseley, que tenía tan sólo veintisiete años en el momento de su muerte, podría haber contribuido mucho al conocimiento de la estructura atómica si hubiera sobrevivido. Niels Bohr dijo en 1962 que el trabajo de Rutherford "no se tomó en serio en absoluto" y que el "gran cambio vino de Moseley". [23]
Robert Millikan escribió: "En una investigación destinada a figurar entre las doce más brillantes en su concepción, hábil en su ejecución e iluminadoras en sus resultados en la historia de la ciencia, un joven de veintiséis años abrió las ventanas a través de las cuales podemos vislumbrar el mundo subatómico con una precisión y una certeza jamás soñadas antes. Si la guerra europea no hubiera tenido otro resultado que la extinción de esta joven vida, eso por sí solo la convertiría en uno de los crímenes más horribles e irreparables de la historia". [24]
George Sarton escribió: "Su fama ya estaba establecida sobre una base tan segura que su memoria estará verde por siempre. Es uno de los inmortales de la ciencia y, aunque hubiera hecho muchas otras aportaciones a nuestro conocimiento si le hubieran perdonado la vida, las contribuciones que ya se le atribuían eran de una importancia tan fundamental que la probabilidad de que se superara a sí mismo era extremadamente pequeña. Es muy probable que, independientemente de lo larga que fuera su vida, se lo hubiera recordado principalmente por la 'Ley de Moseley' que publicó a la edad de veintiséis años". [25]
Isaac Asimov escribió: "En vista de lo que él [Moseley] todavía podría haber logrado... su muerte bien podría haber sido la muerte más costosa de la guerra para la humanidad en general". [4] : 714 Rutherford creía que el trabajo de Moseley le habría valido el Premio Nobel (que, sin embargo, nunca se otorga póstumamente). [3]
Se instalaron placas conmemorativas en memoria de Moseley en Manchester y Eton, y una beca de la Royal Society , establecida por su testamento, tuvo como segundo destinatario al físico PMS Blackett , quien más tarde se convirtió en presidente de la Sociedad. [12] : 126 La Medalla y Premio Henry Moseley del Instituto de Física lleva su nombre en su honor. [26]
