Henry Moseley の実験により、各元素には独特の方法で X 線と相互作用する独特の原子構造があることが明らかになりました。
水素、ヘリウム、リチウム、ベリリウム、ホウ素、炭素…
この一連の単語は、私たちのほとんどを学校の化学の授業に連れ戻します。そこでは、周期表の要素を暗記するように求められました...少なくとも要素 20 まで。この練習は、周期表を持つ目的を完全に無効にしましたが、それは最終的に非常に役に立ちました。また、周期表の元素は原子番号に従って並べられていることも教えられました。これは原子内の陽子の数で、電子の数と同じです。
しかし…どうやってそれを理解したのですか？原子は非常に小さいため、目で数えることは人間には不可能です。では、周期表を開発した科学者はどのようにして原子番号が何であるかを知ったのでしょうか?
これはすべて、ドイツでの偶然の冬と、マンチェスター大学の若き優秀な科学者のおかげです。
レントゲンと彼の光線
なぜ科学者は顕微鏡で原子を見て、陽子の数を数えなかったのか疑問に思う人もいるかもしれません。世界で最も強力な光学顕微鏡を使用しても、原子を見ることはできません。私たちは、光波の経路を妨害し、それらを反射して目に戻すものしか見ることができません.
原子は可視光の波長の 10,000 分の 1 であるため、その存在は波に影響を与えません。巨大な海の波に立ち向かう砂粒を想像してみてください (縮尺どおりではありません)。
ヴィルヘルム・レントゲンによる X 線の発見後、素粒子の世界への探査は大きく後押しされました。 1895 年の冬、レントゲンが当時の他の多くの科学者と同様に、クルックス管から放出される光線を調査していました。
クルーク管またはブラウン管は、内部に 2 つの電極が配置された密閉されたガラス真空チャンバーです。電極間に電圧が印加されると、チューブはかすかな輝きを放ちます。
暗い部屋で光るクルックス管 (写真提供:D-Kuru/Wikimedia commons)
Röntgen は、チューブから放出された光線が、セットアップからほぼ 9 フィート離れた白金バリウム スクリーン上に明るいスポットを作成していることを観察したときに、彼のユーレカの瞬間を見つけました。目に見えない光線の透過能力をテストするために、彼は厚い黒い厚紙でチューブを保護しましたが、画面にはまだ輝きが見られました.彼はこれらの未知の光線を X 線と名付けました。
クリスマスの 3 日前の 12 月 22 日、彼は妻のアンナの左手を印画紙の上に置き、世界で初めて骨の X 線を撮影しました。光線は皮膚を通過しましたが、彼女の骨と結婚指輪によって遮られました。写真乾板に写った自分の手の暗いシルエットに驚いた彼女は、「自分の死を見た」と叫びました。生きている人が自分の骨格を見たのは史上初めてだったからです。
人間の手の史上初の X 線。 (写真提供:ウェルカム画像/ウィキメディア コモンズ)
その後数年のうちに、X 線は科学に革命をもたらし、人類最大の発見の 1 つになりました。また、「財布の中のコインを数える」「ここで撮ったレントゲン写真」などのアトラクションで、レントゲン展に訪れた一般の人たちを楽しませていました。 X 線の使用について詳しくは、ここをクリックしてください。
では、X 線の発見は原子番号の問題をどのように解決したのでしょうか?幸いなことに、X 線の波長は原子のサイズよりも小さいため、原子と相互作用することができます。
ヘンリー・モーズリーと原子番号
1900 年代までに、X 線は可視光と同じように電磁波であることが明らかになりましたが、より高いエネルギーを持ち、光が透過できないものを透過できることが明らかになりました。この新しい調査ツールへの愛は、当時の化学者、生物学者、物理学者を結びつけました。 X 線は、生物種の骨格構造を明らかにしただけでなく、X 線回折結晶学によって結晶内の原子の美しい配置を明らかにしました。
X 線を使って放射能を調査していたアーネスト・ラザフォードは、1910 年に若いヘンリー・モーズリー (同僚にはハリー) を彼の研究室で働くように任命しました。ラザフォードは、ハリーに放射性元素についてもっと調べてもらいたいと思っていましたが、ハリーの心は X 線分光法に属していました。彼はチャールズ ダーウィン (「進化」ダーウィンの孫) と協力して、さまざまな金属から放出される X 線の性質を調査しました。ラザフォードの下で 3 年間働いた後、彼は突然出身地であるオックスフォードに戻り、仲間の科学者の研究室で独立して研究を始めました。
この頃、オランダの経済学者でアマチュア科学者のアントニウス・ファン・デン・ブルックが発表した研究がハリーの目に留まりました。ドミトリ・メンデレーエフが提案したように、周期表の元素は原子量ではなく、原子核の電荷に従って配置されるべきであると主張しました。ハリーは、X 線分光法を使用してこの仮説を実験的に検証することにしました。
Moseley の装置は、彼のサンプルに向けて X 線のビームを発射します。サンプルは通常、さまざまな元素の純粋な形であり、時には金属合金でした。次に、サンプルは二次X線を放出し、その後ろに置かれた写真プレートに当たりました。ハリーは、すべての元素が写真乾板に当たると、独自の一連の縞またはスペクトルを作成することに気付きました。彼はこれらのスペクトルを使用して、入手できるすべての元素の X 線周波数を計算しました。
彼の計算は、元素から放射される X 線の周波数の平方根が Z-1 に比例するという結論に導きました。ここで、Z は元素の原子核の電荷に相当する整数を表します。モーズリーの法則は原子番号の概念を生み出し、最終的に周期表の再配置につながりました。 (実際、メンデレーエフの最初の周期表を悩ませた多くの冗長性を解決しました。
モーズリー階段:さまざまな要素からの固有の X 線放出の写真 (写真提供者:Anders Sandberg &Henry Moseley/Wikimedia commons)
残念なことに、1914 年に第一次世界大戦が勃発したとき、ハリーの驚くべき科学的キャリアは短くなりました。彼はエンジニアとして軍隊に志願し、トルコの侵略中に命を落としました。アーネスト・ラザフォードは、ハリーの業績を回想して、彼の早すぎる死がなければ、間違いなくノーベル賞を受賞していただろうと述べました.
結論
量子力学の導入により、独特の X 線スペクトルが量子化された電子遷移によるものであり、核電荷によるものではないことが証明されました。それでも、モーズリーの回りくどい方法での実験は、原子の内部と、その外界への影響を垣間見せてくれました。
走査型トンネル顕微鏡の助けを借りて、原子がどのように見えるかを見ることができるようになりました。しかし、原子を解剖して内部を調べ、亜原子粒子の数を数えることができるという現実にはまだほど遠い.モーズリーが世界に原子番号を紹介してから 1 世紀以上が経ちましたが、元素を操作する方法や魅力的な化学分野での作業方法は今でも形作られています。
