Henry Moseley
Henry Gwyn Jeffreys Moseley (23 de novembro de 1887 - 10 de agosto de 1915) foi um físico inglês, cuja contribuição para a ciência da física foi a justificação das leis físicas do conceito empírico e químico anterior do número atômico. Isso decorreu de seu desenvolvimento da lei de Moseley em espectros de raios-X.
A lei de Moseley avançou a física atômica, a física nuclear e a física quântica, fornecendo a primeira evidência experimental a favor da teoria de Niels Bohr, além do espectro do átomo de hidrogênio que a teoria de Bohr foi projetada para reproduzir. Essa teoria refinou o modelo de Ernest Rutherford e Antonius van den Broek, que propôs que o átomo contém em seu núcleo um número de cargas nucleares positivas que é igual ao seu número (atômico) na tabela periódica. Este continua sendo o modelo aceito hoje.
Quando a Primeira Guerra Mundial estourou na Europa Ocidental, Moseley deixou seu trabalho de pesquisa na Universidade de Oxford para trás para se voluntariar para os Engenheiros Reais do Exército Britânico. Moseley foi designado para a força de soldados do Império Britânico que invadiu a região de Gallipoli, na Turquia, em abril de 1915, como oficial de telecomunicações. Moseley foi baleado e morto durante a Batalha de Gallipoli em 10 de agosto de 1915, aos 27 anos. Especialistas especularam que Moseley poderia ter recebido o Prêmio Nobel de Física em 1916.
Biografia
Henry G. J. Moseley, conhecido por seus amigos como Harry, nasceu em Weymouth, em Dorset, em 1887. Seu pai, Henry Nottidge Moseley (1844–1891), que morreu quando Moseley era bem jovem, era biólogo e também professor de anatomia e fisiologia na Universidade de Oxford, que havia sido membro da Expedição Challenger. A mãe de Moseley era Amabel Gwyn Jeffreys, filha do biólogo e conchologista galês John Gwyn Jeffreys. Ela também foi a campeã feminina britânica de xadrez em 1913.
Moseley foi um estudante muito promissor na Summer Fields School (onde uma das quatro "ligas" recebeu seu nome) e recebeu uma bolsa de estudos do rei para estudar no Eton College. Em 1906 ele ganhou os prêmios de química e física em Eton. Em 1906, Moseley ingressou no Trinity College da Universidade de Oxford, onde obteve seu diploma de bacharel. Enquanto estudante de graduação em Oxford, Moseley ingressou no Apollo University Lodge. Imediatamente após a formatura em Oxford em 1910, Moseley tornou-se um demonstrador em física na Universidade de Manchester sob a supervisão de Sir Ernest Rutherford. Durante o primeiro ano de Moseley em Manchester, ele teve uma carga de ensino como assistente de ensino graduado, mas após o primeiro ano, ele foi transferido de suas funções de professor para trabalhar como assistente de pesquisa de graduação. Ele recusou uma bolsa oferecida por Rutherford, preferindo voltar para Oxford, em novembro de 1913, onde recebeu instalações de laboratório, mas sem apoio.
Trabalho científico
Experimentando a energia das partículas beta em 1912, Moseley mostrou que altos potenciais eram atingíveis a partir de uma fonte radioativa de rádio, inventando assim a primeira bateria atômica, embora ele fosse incapaz de produzir o 1MeV necessário para parar as partículas.
Em 1913, Moseley observou e mediu os espectros de raios X de vários elementos químicos (principalmente metais) encontrados pelo método de difração através de cristais. Este foi um uso pioneiro do método de espectroscopia de raios-X na física, usando a lei de difração de Bragg para determinar os comprimentos de onda dos raios-X. Moseley descobriu uma relação matemática sistemática entre os comprimentos de onda dos raios X produzidos e os números atômicos dos metais usados como alvos nos tubos de raios X. Isso ficou conhecido como a lei de Moseley.
Antes da descoberta de Moseley, os números atômicos (ou número elementar) de um elemento eram pensados como um número sequencial semi-arbitrário, baseado na sequência de massas atômicas, mas modificado um pouco onde os químicos encontraram essa modificação desejável, como a do químico russo Dmitri Ivanovich Mendeleev. Em sua invenção da Tabela Periódica dos Elementos, Mendeleev havia trocado as ordens de alguns pares de elementos para colocá-los em lugares mais apropriados nesta tabela dos elementos. Por exemplo, os metais cobalto e níquel receberam os números atômicos 27 e 28, respectivamente, com base em suas propriedades químicas e físicas conhecidas, embora tenham quase as mesmas massas atômicas. De fato, a massa atômica do cobalto é ligeiramente maior que a do níquel, o que os colocaria em ordem inversa se tivessem sido colocados na Tabela Periódica cegamente de acordo com a massa atômica. Os experimentos de Moseley em espectroscopia de raios-X mostraram diretamente de sua física que o cobalto e o níquel têm números atômicos diferentes, 27 e 28, e que eles são colocados na Tabela Periódica corretamente pelas medições objetivas de Moseley de seus números atômicos. Portanto, a descoberta de Moseley demonstrou que os números atômicos dos elementos não são apenas números arbitrários baseados na química e na intuição dos químicos, mas sim, eles têm uma base experimental sólida da física de seus espectros de raios-X.
Além disso, Moseley mostrou que havia lacunas na sequência de números atômicos nos números 43, 61, 72 e 75. Esses espaços são agora conhecidos, respectivamente, como sendo os lugares dos elementos sintéticos radioativos tecnécio e promécio, e também os dois últimos elementos estáveis bastante raros de ocorrência natural, háfnio (descoberto em 1923) e rênio (descoberto em 1925). Nada se sabia sobre esses quatro elementos durante a vida de Moseley, nem mesmo sua própria existência. Com base na intuição de um químico muito experiente, Dmitri Mendeleev previu a existência de um elemento ausente na Tabela Periódica, que mais tarde foi encontrado preenchido pelo tecnécio, e Bohuslav Brauner previu a existência de outro elemento ausente nesta Tabela, que mais tarde foi encontrado para ser preenchido por promécio. Os experimentos de Henry Moseley confirmaram essas previsões, mostrando exatamente quais eram os números atômicos ausentes, 43 e 61. Além disso, Moseley previu a existência de mais dois elementos não descobertos, aqueles com os números atômicos 72 e 75, e deu muito fortes evidências de que não havia outras lacunas na Tabela Periódica entre os elementos alumínio (número atômico 13) e ouro (número atômico 79).
Esta última questão sobre a possibilidade de mais elementos não descobertos ("desaparecidos") tem sido um problema permanente entre os químicos do mundo, particularmente dada a existência da grande família da série dos lantanídeos de terras raras elementos. Moseley foi capaz de demonstrar que esses elementos lantanídeos, ou seja, lantânio até lutécio, devem ter exatamente 15 membros – nem mais nem menos. O número de elementos nos lantanídeos era uma questão muito longe de ser resolvida pelos químicos do início do século XX. Eles ainda não podiam produzir amostras puras de todos os elementos de terras raras, mesmo na forma de seus sais e, em alguns casos, eram incapazes de distinguir entre misturas de dois elementos de terras raras muito semelhantes (adjacentes) dos metais puros próximos. na Tabela Periódica. Por exemplo, havia um chamado "elemento" que recebeu até o nome químico de "didímio". "Dídimio" foi descoberto alguns anos depois como sendo simplesmente uma mistura de dois elementos genuínos de terras raras, e estes receberam os nomes de neodímio e praseodímio, significando "novo gêmeo" e "gêmeo verde". Além disso, o método de separação dos elementos de terras raras pelo método de troca iônica ainda não havia sido inventado na época de Moseley.
O método de Moseley na espectroscopia de raios-X inicial foi capaz de resolver prontamente os problemas químicos acima, alguns dos quais ocuparam os químicos por vários anos. Moseley também previu a existência do elemento 61, um lantanídeo cuja existência era insuspeita. Alguns anos depois, esse elemento 61 foi criado artificialmente em reatores nucleares e recebeu o nome de promécio.
Contribuição para a compreensão do átomo
Antes de Moseley e sua lei, os números atômicos eram pensados como um número de ordenação semi-arbitrário, aumentando vagamente com o peso atômico, mas não estritamente definido por ele. A descoberta de Moseley mostrou que os números atômicos não foram atribuídos arbitrariamente, mas sim, eles têm uma base física definida. Moseley postulou que cada elemento sucessivo tem uma carga nuclear exatamente uma unidade maior que seu predecessor. Moseley redefiniu a ideia de números atômicos de seu status anterior como uma tag numérica ad hoc para ajudar a classificar os elementos em uma sequência exata de números atômicos ascendentes que tornavam a Tabela Periódica exata. (Isto viria a ser a base do princípio de Aufbau em estudos atômicos.) Conforme observado por Bohr, a lei de Moseley forneceu um conjunto experimental razoavelmente completo de dados que sustentava a concepção (nova de 1911) de Ernest Rutherford e Antonius van den Broek do átomo, com um núcleo carregado positivamente cercado por elétrons carregados negativamente em que o número atômico é entendido como o número físico exato de cargas positivas (mais tarde descobertas e chamadas de prótons) nos núcleos atômicos centrais dos elementos. Moseley mencionou os dois cientistas acima em seu trabalho de pesquisa, mas na verdade não mencionou Bohr, que era bastante novo na cena na época. Modificações simples das fórmulas de Rydberg e Bohr foram encontradas para fornecer uma justificativa teórica para a lei derivada empiricamente de Moseley para determinar números atômicos.
Uso de espectrômetro de raios X
Os espectrômetros de raios-X são os pilares da cristalografia de raios-X. Os espectrômetros de raios X, como Moseley os conhecia, funcionavam da seguinte maneira. Um tubo de elétrons de bulbo de vidro foi usado, semelhante ao que Moseley segura na foto aqui. Dentro do tubo evacuado, os elétrons foram disparados contra uma substância metálica (ou seja, uma amostra de elemento puro no trabalho de Moseley), causando a ionização dos elétrons das camadas internas de elétrons do elemento. O rebote de elétrons para esses buracos nas camadas internas causa a emissão de fótons de raios-X que foram conduzidos para fora do tubo em um semi-feixe, através de uma abertura na blindagem externa de raios-X. Em seguida, eles são difratados por um cristal de sal padronizado, com resultados angulares lidos como linhas fotográficas pela exposição de um filme de raios X fixado na parte externa do tubo de vácuo a uma distância conhecida. A aplicação da lei de Bragg (depois de algumas suposições iniciais das distâncias médias entre os átomos no cristal metálico, com base em sua densidade) permitiu que o comprimento de onda dos raios X emitidos fosse calculado.
Moseley participou do projeto e desenvolvimento dos primeiros equipamentos de espectrometria de raios X, aprendendo algumas técnicas com William Henry Bragg e William Lawrence Bragg na Universidade de Leeds, e desenvolvendo outras. Muitas das técnicas de espectroscopia de raios X foram inspiradas nos métodos usados com espectroscópios e espectrogramas de luz visível, substituindo cristais, câmaras de ionização e placas fotográficas por seus análogos na espectroscopia de luz. Em alguns casos, Moseley achou necessário modificar seu equipamento para detectar raios-X particularmente suaves (frequência mais baixa) que não podiam penetrar nem no ar nem no papel, trabalhando com seus instrumentos em uma câmara de vácuo.
Morte e consequências
Em algum momento da primeira metade de 1914, Moseley renunciou ao cargo em Manchester, com planos de retornar a Oxford e continuar suas pesquisas em física lá. No entanto, a Primeira Guerra Mundial estourou em agosto de 1914 e Moseley recusou esta oferta de emprego para se alistar com os Engenheiros Reais do Exército Britânico. Sua família e amigos tentaram convencê-lo a não entrar, mas ele achou que era seu dever. Moseley serviu como oficial técnico em comunicações durante a Batalha de Gallipoli, na Turquia, a partir de abril de 1915, onde foi morto por um franco-atirador em 10 de agosto de 1915.
Com apenas 27 anos de idade na época de sua morte, Moseley poderia, na opinião de alguns cientistas, ter contribuído muito para o conhecimento da estrutura atômica se tivesse sobrevivido. Niels Bohr disse em 1962 que o trabalho de Rutherford "não foi levado a sério" e que a "grande mudança veio de Moseley."
Robert Millikan escreveu: "Em uma pesquisa que está destinada a ser classificada como uma das doze mais brilhantes em concepção, hábil em execução e esclarecedora em resultados na história da ciência, um jovem de 26 anos old abriu as janelas pelas quais podemos vislumbrar o mundo subatômico com uma definição e certeza nunca antes sonhadas. Se a Guerra Européia não tivesse outro resultado além do extinguir esta jovem vida, isso por si só a tornaria um dos crimes mais hediondos e irreparáveis da história.
George Sarton escreveu: "Sua fama já estava estabelecida em uma base tão segura que sua memória ficará verde para sempre. Ele é um dos imortais da ciência e, embora tivesse feito muitos outros acréscimos ao nosso conhecimento se sua vida tivesse sido poupada, as contribuições já creditadas a ele eram de importância tão fundamental que a probabilidade de ele se superar era extremamente pequena.. É muito provável que, por mais longa que seja sua vida, ele teria sido lembrado principalmente por causa da 'lei de Moseley' que publicou aos vinte e seis anos."
Isaac Asimov escreveu: "Em vista do que ele [Moseley] ainda pode ter realizado... sua morte pode muito bem ter sido a morte mais cara da guerra para a humanidade em geral. Rutherford acreditava que o trabalho de Mosely teria lhe rendido o Prêmio Nobel (que, no entanto, nunca é concedido postumamente).
Placas comemorativas para Moseley foram instaladas em Manchester e Eton, e uma bolsa de estudos da Royal Society, estabelecida por seu testamento, teve como segundo destinatário o físico P. M. S. Blackett, que mais tarde se tornou presidente da Society. A medalha e o prêmio do Instituto de Física Henry Moseley são nomeados em sua homenagem.
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