Эксперименты Генри Мозли показали, что каждый элемент имеет уникальную атомную структуру, которая особым образом взаимодействует с рентгеновскими лучами.
Водород, гелий, литий, бериллий, бор, углерод…
Этот набор слов вернет большинство из нас на урок химии в школе, где нас просили выучить наизусть элементы периодической таблицы... по крайней мере, до 20-го элемента. Нас также учили, что элементы в периодической таблице расположены в соответствии с их атомными номерами. Это число протонов в атоме, такое же как и число электронов.
Но... как мы это вычислили? Поскольку атомы очень малы, сосчитать их на глаз не представляется возможным, так откуда же ученые знали, что такое атомный номер?
Это произошло благодаря одной случайной зиме в Германии и молодому блестящему ученому из Манчестерского университета.
Рентген и его лучи
Кто-то может удивиться, почему ученые просто не рассматривали атомы под микроскопом и не считали количество протонов? Ну, можно использовать самый мощный в мире оптический микроскоп и все равно не увидеть атом. Мы можем видеть только то, что нарушает путь световых волн и отражает их обратно в наши глаза.
Атом в 10 000 раз меньше длины волны видимого света, поэтому его присутствие не влияет на волны. Представьте себе песчинку, стоящую на фоне гигантской океанской волны.
Исследования мира субатомных частиц получили огромный толчок после открытия Вильгельмом Рентгеном рентгеновских лучей. Это было зимой 1895 года, когда Рентген, как и многие другие ученые его времени, исследовал лучи, испускаемые трубкой Крукса.
Трубка Крукса или катодная лучевая трубка представляет собой герметичную стеклянную вакуумную камеру с двумя электродами, помещенными внутрь. При подаче напряжения на электроды трубка излучала слабое свечение.
Рентген нашел свой момент Эврики, когда заметил, что лучи, испускаемые трубкой, создают яркие пятна на платинобариевом экране, который находился на расстоянии почти 9 футов от установки. Чтобы проверить проникающую способность невидимых лучей, он закрыл трубку толстым черным картоном, но на экране все равно наблюдалось свечение. Он назвал эти неизвестные лучи рентгеновскими.
За три дня до Рождества, 22 декабря, он положил левую руку своей жены Анны на лист фотобумаги и сделал первый в мире рентгеновский снимок кости. Лучи прошли через кожу, но были остановлены костями и обручальным кольцом. Пораженная темным силуэтом своей руки на фотопластинке, она воскликнула: "Я видела свою смерть", поскольку это был первый случай в истории, когда живой человек увидел свой собственный скелет.
В течение следующих нескольких лет рентгеновские лучи стали одним из величайших открытий человечества, поскольку они произвели революцию в науке. Оно также позабавило обывателей, посещавших рентгеновские выставки с такими аттракционами, как "Посчитайте монеты в вашем кошельке" или "Рентгеновские фотографии, сделанные здесь".
Итак, как открытие рентгеновских лучей решило нашу проблему атомного номера? К счастью для нас, рентгеновские лучи имеют длину волны меньше, чем размер атома, и поэтому могут взаимодействовать с ними.
Генри Мозли и атомные числа
К 1900-м годам стало ясно, что рентгеновские лучи - это электромагнитные волны, такие же как и видимый свет, но с более высокой энергией и способные проникать туда, куда не мог проникнуть свет. Любовь к этому новому инструменту исследования объединила химиков, биологов и физиков той эпохи. Рентгеновские лучи не только выявили скелетную структуру биологических видов, но и показали прекрасное расположение атомов в кристаллах с помощью рентгеновской дифракционной кристаллографии.
Эрнест Резерфорд, исследовавший радиоактивность с помощью рентгеновских лучей, в 1910 году назначил молодого Генри Мозли работать в своей лаборатории. Резерфорд хотел, чтобы Гарри больше изучал радиоактивные элементы, но сердце Гарри принадлежало рентгеновской спектроскопии. Он объединился с Чарльзом Дарвином (внуком "Эволюции" Дарвина) и исследовал природу рентгеновских лучей, испускаемых различными металлами. Проработав три года под руководством Резерфорда, он неожиданно переехал обратно в Оксфорд, откуда был родом, и начал работать самостоятельно в лаборатории своего коллеги-ученого.
Примерно в это время внимание Гарри привлекло исследование, опубликованное Антониусом ван ден Бруком, голландским экономистом и ученым-любителем. В нем утверждалось, что элементы в периодической таблице должны быть расположены в соответствии с зарядом в их атомном ядре, а не в соответствии с атомным весом, как предлагал Дмитрий Менделеев. Гарри решил экспериментально проверить эту гипотезу с помощью рентгеновской спектроскопии.
Аппарат Мозли пускал пучок рентгеновских лучей на образцы, которые обычно представляли собой чистые формы различных элементов, а иногда и металлические сплавы. Затем образцы испускали вторичные рентгеновские лучи, которые попадали на фотопластинку, расположенную позади них. Гарри заметил, что каждый элемент при попадании на фотопластинку создавал уникальную серию полос или спектров. Он использовал эти спектры для расчета частоты рентгеновского излучения каждого элемента, который попадал ему в руки.
Его расчеты привели его к выводу, что квадратный корень из частоты рентгеновских лучей, испускаемых элементом, пропорционален Z-1, где Z представляет собой целое число, эквивалентное заряду атомного ядра элемента. Закон Мозли привел к появлению концепции атомных номеров, что в конечном итоге привело к перестройке периодической таблицы. На самом деле это позволило устранить многие избыточности, которые мешали первой периодической таблице Менделеева.
К сожалению, поразительная научная карьера Гарри оборвалась, когда в 1914 году началась первая мировая война. Он добровольно вступил в армию в качестве инженера и погиб во время турецкого вторжения. Вспоминая о работе Гарри, Эрнест Резерфорд сказал, что он, несомненно, получил бы Нобелевскую премию, если бы не его безвременная смерть.
Введение квантовой механики доказало, что уникальные рентгеновские спектры были обусловлены квантованными электронными переходами, а не ядерным зарядом. Тем не менее эксперименты Мозли окольным путем дали нам представление о том, что находится внутри атома, а также о его последствиях для внешнего мира.
Теперь мы можем увидеть, как выглядит атом, с помощью сканирующих туннельных микроскопов. Однако мы все еще далеки от реальности, в которой мы сможем препарировать атом, чтобы заглянуть внутрь и подсчитать количество субатомных частиц. С тех пор как Мозли познакомил мир с атомными числами, прошло уже более века, но он все еще определяет то, как мы манипулируем элементами и работаем в этой увлекательной области химии.