ヘンリー・モーズリー

ヘンリー・グウィン・ジェフリーズ・モーズリー（/ ˈmoʊzli / 、1887年11月23日 - 1915年8月10日）はイギリスの物理学者で、物理学への貢献は、それまでの経験的および化学的概念であった原子番号を物理法則から正当化したことである。これは、彼がX線スペクトルにおけるモーズリーの法則を開発したことに端を発している。^{[ 1 ]}

モーズリーの法則は、ニールス・ボーアの理論を支持する最初の実験的証拠を提供することで、原子物理学、核物理学、量子物理学を進歩させた。ボーアの理論は水素原子スペクトルを再現するように設計されていた。この理論は、原子核には周期表の原子番号に等しい数の正の核電荷が含まれていると提唱したアーネスト・ラザフォードとアントニウス・ファン・デン・ブルークのモデルを改良したものである。^{[ 2 ] [ 3 ]}

第一次世界大戦が西ヨーロッパで勃発すると、モーズリーはオックスフォード大学での研究を中断し、イギリス陸軍の王立工兵隊に志願した。モーズリーは通信士官として、1915年4月にトルコのガリポリ地方に侵攻した大英帝国軍の部隊に配属された。モーズリーは1915年8月10日、ガリポリの戦いで銃撃を受け、27歳で戦死した。専門家は、モーズリーがそうでなければ1916年にノーベル物理学賞を受賞していたかもしれないと推測している。 ^{[ 4 ] [ 5 ]}

ヘンリー・G・J・モーズリー（友人からはハリーと呼ばれていた） ^{[ 6 ]}は、 1887年にドーセット州ウェイマスで生まれた。彼の父ヘンリー・ノティッジ・モーズリー（1844年 - 1891年）は、モーズリーが幼い頃に亡くなったが、生物学者であり、オックスフォード大学の解剖学および生理学の教授でもあり、チャレンジャー号探検隊の一員だった。モーズリーの母は、ウェールズの生物学者で貝類学者のジョン・グウィン・ジェフリーズの娘、アマベル・グウィン・ジェフリーズだった^{[ 7 ]}。彼女はまた、 1913年にイギ​​リス女子チェスチャンピオンでもあった^{[ 8 ] [ 9 ] [ a ]。}

モーズリーはサマーフィールズ校で非常に有望な生徒であり（同校の4つの「リーグ」の1つは彼にちなんで名付けられている）、イートン校への入学のためにキングス奨学金を授与された。^{[ 10 ]} 1906年、彼はイートン校で化学と物理の賞を受賞した。^{[ 11 ]} 1906年、モーズリーはオックスフォード大学トリニティ・カレッジの学部生として入学し、そこで文学士号（BA）を取得した。オックスフォード大学の学部生時代に、モーズリーはアポロ大学ロッジに加入してフリーメイソンになった。^{[ 12 ]} 1910年にオックスフォード大学を卒業後すぐに、モーズリーはマンチェスター大学で物理学の助手となり、 1911年5月9日にマンチェスター文学哲学協会の会員に選出され、 ^{[ 13 ]}アーネスト・ラザフォードの指導を受けた。モーズリーはマンチェスター大学での最初の1年間、大学院教育助手（TA）として授業を担当していたが、その1年後、教育の職務から大学院研究助手（RA）に異動となった。彼はラザフォードから提示された奨学金を辞退し、1913年11月にオックスフォードに戻ることを選択した。オックスフォードでは実験室設備は与えられたものの、支援は受けられなかった。^{[ 14 ]： 95}

1912年にベータ粒子のエネルギーを実験したモーズリーは、ラジウムの放射性線源から高電圧が得られることを示し、最初の原子電池を発明したが、粒子を止めるのに必要な1MVを生成することはできなかった。^{[ 15 ]}

1913年、モーズリーは結晶回折法によって発見された様々な化学元素（主に金属）のX線スペクトルを観測し、測定した。[ 16 ]これは物理学における^X線分光法の先駆的な使用であり、ブラッグの回折法則を用いてX線波長を決定した。モーズリーは、生成されたX線の波長とX線管のターゲットとして使用された金属の原子番号との間に体系的な数学的関係を発見した。これはモーズリーの法則として知られるようになった。

モーズリーの発見以前は、元素の原子番号（または元素番号）は、原子量の順序に基づいた、ある程度恣意的な連番と考えられていましたが、ロシアの化学者ドミトリ・イワノビッチ・メンデレーエフのように、化学者が望ましいと考える場合には多少修正されていました。メンデレーエフは元素周期表を考案する際に、いくつかの元素のペアの順序を入れ替えて、この元素表の中でより適切な位置に配置しました。例えば、コバルトとニッケルは、既知の化学的および物理的性質に基づいて、それぞれ原子番号27と28が割り当てられていましたが、原子量はほぼ同じです。実際には、コバルトの原子量はニッケルの原子量よりわずかに大きいため、純粋に原子量に基づいて配置すると、ニッケルは周期表でコバルトより前に配置されることになります。しかし、モーズリーのX線分光法による実験は、コバルトとニッケルの原子番号が27と28であり、モーズリーが客観的に測定した原子番号に基づいて周期表に正しく配置されていることを、その物理学から直接的に示しました。したがって、モーズリーの発見は、元素の原子番号は化学や化学者の直感に基づく単なる恣意的な数値ではなく、X線スペクトルの物理学に基づく確固たる実験的根拠を持っていることを証明したのです。

さらに、モーズリーは原子番号の並びの43、61、72、75の位置に空白があることを示した。これらの空白は現在、それぞれ放射性合成元素テクネチウムとプロメチウム、そして最後に残った2つの非常にまれな天然安定元素ハフニウム（1923年発見）とレニウム（1925年発見）の位置であることが知られている。モーズリーの生前には、これら4つの元素については何も知られておらず、その存在すら知られていなかった。非常に経験豊富な化学者の直感に基づいて、ドミトリ・メンデレーエフは周期表に欠落した元素の存在を予測しており、後にテクネチウムがその欠落を埋めることが判明した。また、ボフスラフ・ブラウナーもこの周期表に別の欠落した元素の存在を予測しており、後にプロメチウムがその欠落を埋めることが判明した。ヘンリー・モーズリーの実験は、欠落していた原子番号が43と61であることを正確に示すことで、これらの予測を裏付けました。さらに、モーズリーは原子番号72と75の2つの未発見元素の存在を予測し、アルミニウム（原子番号13）と金（原子番号79）の間には周期表に他の欠落がないという非常に強力な証拠を示しました。

未発見の（「失われた」）元素がさらに存在する可能性についてのこの後者の疑問は、特に希土類元素のランタノイド系列という大きなファミリーの存在を考えると、世界の化学者の間で長年の課題であった。モーズリーは、これらのランタノイド元素、すなわちランタンからルテチウムまでが、正確に15個の元素から構成されていることを証明できた。それ以上でもそれ以下でもない。ランタノイドの元素の数は、20世紀初頭の化学者にとって解決には程遠い問題であった。彼らは、塩の形であっても、すべての希土類元素の純粋なサンプルをまだ作成できておらず、場合によっては、周期表で近くにある純粋な金属と非常によく似た（隣接する）2つの希土類元素の混合物を区別することができなかった。たとえば、「ジジミウム」という化学名が付けられたいわゆる「元素」があった。数年後、「ジディミウム」は単に2種類の希土類元素の混合物であることが判明し、それぞれネオジムとプラセオジム（「新しい双子」と「緑の双子」を意味する）と名付けられた。また、モーズリーの時代には、イオン交換法による希土類元素の分離方法はまだ発明されていなかった。

モーズリーの初期のX線分光法は、化学者たちが長年悩まされていた上記の化学的問題を迅速に解決することができた。モーズリーはまた、それまで存在が疑われていなかったランタノイド元素61の存在を予測した。それから数年後、この元素61は原子炉で人工的に生成され、プロメチウムと名付けられた。^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]}

X線分光計の使用

X線分光計は、 X線結晶学の基礎となるものです。モーズリーが知っていたX線分光計は、次のように動作しました。モーズリーが写真で持っているものと同様のガラス球型電子管が使用されました。真空管内で、電子が金属物質（モーズリーの研究では純粋な元素のサンプル）に照射され、元素の内殻電子が電離されます。内殻のこれらの空孔に電子が跳ね返ると、X線光子が放出され、外部のX線遮蔽の開口部を通って半ビーム状に管から出されます。次に、これらの光子は標準化された塩結晶によって回折され、真空管の外側に既知の距離に固定されたX線フィルムに露光することで、角度の結果が写真線として読み取られます。次に、ブラッグの法則を適用することで（金属結晶の密度に基づいて、原子間の平均距離を初期的に推測した後）、放出されるX線の波長を計算することができた。

^{モーズリーは初期のX線分光装置}の設計と開発に参加し、^{リーズ大学}のウィリアム^・ヘンリー・ブラッグとウィリアム・ローレンス・ブラッグからいくつ^かの技術を学び、また自身で他の技術を開発しました。X線分光法の多くの技術は、可視光分光器や分光図で使用される方法に触発されたもので、光分光法の類似品を結晶、電離箱、写真乾板に置き換えたものです。場合によっては、空気や紙を透過できない特に軟らかい（低周波の）X線を検出するために、真空チャンバー内で装置を操作するなど、装置を改造する必要があるとモーズリーは感じました。

1914年前半のある時期に、モーズリーはマンチェスターでの職を辞し、オックスフォードに戻って物理学の研究を続ける計画を立てた。しかし、 1914年8月に第一次世界大戦が勃発し、モーズリーはこの仕事の申し出を断り、代わりにイギリス陸軍の王立工兵隊に入隊した。家族や友人は入隊しないように説得しようとしたが、彼はそれが自分の義務だと考えた。^{[ 24 ]}モーズリーは少尉の階級で^{[ 25 ]} 、1915年4月からトルコのガリポリの戦いで通信技術将校として勤務し、1915年8月10日に狙撃兵に殺された。墓所は不明だが、彼の名前はコモンウェルス戦争墓地委員会のヘレス記念碑に刻まれている。^{[ 25 ]}

モーズリーは亡くなった当時わずか27歳だったが、科学者の中には、もし生きていれば原子構造の知識に大きく貢献できたはずだと考える者もいる。ニールス・ボーアは1962年に、ラザフォードの研究は「全く真剣に受け止められなかった」とし、「大きな変化はモーズリーからもたらされた」と述べている。^{[ 26 ]}

ロバート・ミリカンは次のように書いている。「科学史において、構想の素晴らしさ、実行の巧みさ、そして結果の啓発性において、12の最も優れた研究の一つとして位置づけられるであろう研究において、26歳の若者が、これまで夢にも思わなかったほどの明確さと確実性をもって亜原子の世界を垣間見ることができる窓を開いた。ヨーロッパ戦争がこの若者の命を奪うこと以外に何も結果をもたらさなかったとしても、それだけで歴史上最も醜悪で取り返しのつかない犯罪の一つとなるだろう。」^{[ 27 ]}

ジョージ・サートンは次のように書いています。「彼の名声はすでに確固たる基盤の上に築かれており、彼の記憶は永遠に色褪せることはないでしょう。彼は科学の不滅の偉人の一人であり、もし彼の命が長らえていれば、私たちの知識にさらに多くの貢献をしたことでしょうが、すでに彼に帰せられている貢献は非常に根本的な重要性を持っていたため、彼自身がそれを超える可能性は極めて低かったのです。彼の寿命がどれほど長くても、彼が主に記憶されるのは、26歳の時に発表した『モーズリーの法則』によるものだったでしょう。」^{[ 28 ]}

アイザック・アシモフは、「モーズリーがまだ成し遂げられたであろうことを考えると…彼の死は、人類全体にとって戦争で最も大きな損失となった死だったかもしれない」と書いた。^{[ 5 ] : 714}ラザフォードは、モーズリーの業績はノーベル賞 に値すると考えていた。^{[ 4 ]}モーズリーは、死の前にスヴァンテ・アレニウスによって1915年のノーベル化学賞にノミネートされていた。当時のノーベル財団の規約では、ノミネート後に亡くなった人物に賞を死後授与することが認められていたため、 ^{[ 29 ]} 1915年はモーズリーに賞を授与する唯一の機会だった。^{[ 30 ]}それにもかかわらず、ノーベル委員会は代わりに1915年のノーベル化学賞をリヒャルト・ヴィルシュテッターに授与した。 1917年のノーベル物理学賞は、C・G・バークラに「元素の特性レントゲン放射線の発見」に対して授与された。この研究はモーズリーの研究を大きく発展させたものである。^{[ 31 ]}

モーズリーの記念銘板はマンチェスターとイートンに設置され、彼の遺言によって設立された王立協会の奨学金の2番目の受給者は物理学者のPMSブラケットで、彼は後に同協会の会長となった。^{[ 14 ] : 126}英国物理学会の ヘンリー・モーズリー・メダルと賞は彼の名誉を称えて名付けられている。^{[ 32 ]}