Henry Moseley, brakujące pierwiastki i śmierć pod Gallipoli (1887-1915)

W tym roku mija sto lat od wybuchu pierwszej wojny światowej. Przysłonięta jeszcze straszniejszą drugą wojną, wydaje nam się niesłychanie odległa. Trudno zwłaszcza zrozumieć ówczesny entuzjazm: czemu miliony młodych ludzi po obu stronach rwało się na ochotnika do walki i czemu przeciwnicy wojny traktowani byli jak trędowaci, nie tylko przez oficjalną propagandę, ale także przez ogół społeczeństwa (Pisałem o stosunku Alberta Einsteina do tej wojny.) Wśród ofiar znalazł się Karl Schwarzschild, astrofizyk, który odkrył rozwiązanie równań Einsteina odpowiadające czarnej dziurze. Inną z trzydziestu siedmiu milionów ofiar tej wojny był Henry Moseley.
Moseley pochodził z rodziny o naukowych tradycjach, ojciec i obaj dziadkowie byli członkami Towarzystwa Królewskiego. Studiował w Oksfordzie, w egzaminach końcowych zdobył pierwszą lokatę z matematyki i dopiero drugą z fizyki – ten wynik traktował jako porażkę. Studia w Oksfordzie były dla niego w ogóle rozczarowaniem, ponieważ musiał się nauczyć wielu niepotrzebnych rzeczy do egzaminów. Nie ma zresztą czegoś takiego jak studia dobre dla każdego – to, co jednemu przyniesie korzyść, dla innego może być stratą czasu (mówimy o ludziach, którym zależy, żeby później coś z tą wiedzą zrobić).

slide3_moseley

To zdjęcie w Laboratorium Balliol-Trinity w Oksfordzie ok. 1910 roku.

Zaczął pracować w Manchesterze u Ernesta Rutherforda, w najlepszym zespole badawczym tamtych czasów. W Manchesterze odkryto jądro atomowe, a Niels Bohr zaczął serię prac na temat budowy atomu. Moseley słynął z niezwykłej pracowitości, pracował kilkanaście godzin na dobę, jadł owoce, ser i chleb, z laboratorium wychodził o trzeciej nad ranem. Po kilku innych pracach zajął się tematem widm rentgenowskich. Otóż różne atomy wysyłają promieniowanie rentgenowskie o ściśle określonych długościach fali – przypomina to widma optyczne, jakie można oglądać w spektroskopie. Widma optyczne są jednak zwykle skomplikowane, trudne do szczegółowej analizy. W latach 1913-1914 w ciągu mniej więcej roku Moseley zbadał widma rentgenowskie szeregu pierwiastków i odkrył, że są one bardzo regularne. Położenie linii zależy jedynie od liczby atomowej, czyli numeru pierwiastka w układzie okresowym. Do tamtej pory pierwiastki szeregowano głównie na podstawie masy atomowej. Czasem należało się też kierować własnościami chemicznymi: inaczej argon (39,95) musiałby zająć miejsce potasu (39,10) itp. Jednak liczba atomowa była tylko numerem. Teraz się okazało, że ma ona jakiś sens fizyczny.

Moseley-Fig3

(Linie są naprawdę wielokrotne, stąd dwie bliskie proste odpowiadające tzw. liniom K oraz cztery wyżej odpowiadające tzw. liniom L, nie będziemy się tą komplikacją przejmować.) Wykres tej zależności staje się linią prostą, jeśli na jednej osi wykreślić pierwiastek z częstotliwości, a na drugiej liczbę atomową. Musiało się to skojarzyć z widmami optycznymi, dla wodoru mamy np. takie prawo (\lambda jest długością fali):

\dfrac{1}{\lambda}=R\left(\dfrac{1}{n^2}-\dfrac{1}{m^2}\right),

gdzie m, n są liczbami całkowitymi, a R jest stałą fizyczną zwaną stałą Rydberga. Niels Bohr umiał obliczyć jej wartość na podstawie swojego modelu atomu. Moseley zauważył, że podobnie można zapisać długości fal dla widm rentgenowskich. Np. seria K układała się następująco.

moseley

Na osi pionowej mamy \frac{1}{\sqrt{\lambda}} w pewnych jednostkach. Dane pochodzą z pracy Moseleya, czerwone kropki to wyniki pomiarów, kropka niebieska to przecięcie linii prostej z osią. Obserwowana zależność to przeskalowane widmo wodoru (Z jest liczbą atomową):

\dfrac{1}{\lambda}=\dfrac{3}{4}R(Z-1)^2=R\left(\dfrac{1}{1^2}-\dfrac{1}{2^2}\right)(Z-1)^2.

Stała R to ta sama stała Rydberga co wyżej, więc raczej nie może być mowy o przypadku. Podobne prawo zachodzi dla linii serii L, tej wyżej położonej na wykresie Moseleya, tyle że stała liczbowa mnożąca R równa się nie \frac{3}{4}, lecz

\dfrac{5}{36}=\left(\dfrac{1}{2^2}-\dfrac{1}{3^2}\right),

a wykres przecina oś liczb atomowych w jeszcze innym punkcie. W roku 1914 nie było wiadomo, jak to wszystko należy rozumieć.

Praca eksperymentalna Moseleya miała natomiast oczywistą wartość doraźną: można było wyjaśnić wątpliwości chemików i sprawdzić, których pierwiastków brakuje: były to numery 43, 61, 72, 75. Odkryto je w późniejszym czasie (chemicy podejrzewali zresztą ich istnienie). Można też było łatwo rozróżnić pierwiastki z grupy lantanowców, które chemicznie trudne są do rozseparowania. Wiadomo też było, że jest ich równo 15. Henry Moseley zdążył opublikować dwie prace o widmach rentgenowskich, po czym wybuchła wojna. Był wtedy w Australii, wrócił do kraju i zgłosił się do oddziałów łączności. Turecki snajper zabił go pod Gallipoli 10 sierpnia 1915 roku. W kilku językach podzielonej Europy odnotowano tę stratę: dwudziestosiedmioletni uczony typowany był już wtedy do Nagrody Nobla. Z pewnością mógłby jeszcze coś zdziałać w fizyce, jego szef, Rutherford, po Nagrodzie Nobla za promieniotwórczość odkrył jeszcze jądro atomowe i wszystko to zdążył zrobić przed czterdziestką.

Moseley sądził, że jego wyniki potwierdzają Bohra model atomu. Rzecz nie jest jednak aż tak prosta. Liczba atomowa Z to ładunek jądra (dziś wiemy, że to liczba dodatnich protonów w jądrze). Jeśli przyjmiemy, że wokół jądra krąży tylko jeden elektron, to energia jego wiązania na każdej orbicie powinna być dokładnie Z^2 razy większa niż w wodorze, ponieważ energia fotonu jest proporcjonalna do \frac{1}{\lambda}, więc otrzymalibyśmy niemal to, co trzeba. Można by sobie wyobrazić, że linie K odpowiadają przejściom z drugiej orbity na pierwszą, linie L z trzeciej na drugą itd. Proste \frac{1}{\sqrt{\lambda}} w zależności od Z przechodziłyby przez początek układu, a tak nie jest. W atomie mamy jednak wiele elektronów (musi ich być Z, bo atom jest elektrycznie obojętny), więc zapewne takie skalowanie nie może być ścisłe.

Właściwie nie ma dobrego fundamentalnego wytłumaczenia, dlaczego proste nie przechodzą przez początek układu. W podręcznikach zwykle pisze się o ekranowaniu: chmura elektronowa między jądrem a najniższym elektronem miałaby łącznie ładunek -1, więc nasz elektron przechodząc z drugiej powłoki na pierwszą, znajdowałby się w polu ładunku Z-1. A dlaczego możemy pominąć pozostałe elektrony? Są one dalej od jądra, tworząc sferycznie symetryczną chmurę ładunku – wewnątrz takiej chmury pole elektryczne znika, więc nie mają one wpływu na ruch naszego niskiego elektronu. Niektórzy kwestionują takie wyjaśnienie; tak czy owak, nie można chyba wzorów Moseleya wyprowadzić ściśle. Co nie przeszkadza oczywiście w praktyce: analizatory widma rentgenowskiego pozwalają natychmiast sprawdzić, z jakimi pierwiastkami mamy do czynienia. Producenci tego sprzętu żyją ze sprzedawania odkrycia Henry’ego Moseleya.

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Log Out / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Log Out / Zmień )

Facebook photo

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Log Out / Zmień )

Google+ photo

Komentujesz korzystając z konta Google+. Log Out / Zmień )

Connecting to %s