Henry Moseley

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Henry Gwyn Jeffreys Moseley (23 de noviembre de 1887 – 10 de agosto de 1915) fue un físico inglés, cuya contribución a la ciencia fue la justificación de las leyes físicas del anterior concepto empírico y químico del número atómico. Esto se derivó de su desarrollo de la ley de Moseley en los espectros de rayos X.

La ley de Moseley hizo avanzar la física atómica, la física nuclear y la física cuántica al proporcionar las primeras pruebas experimentales a favor de la teoría de Niels Bohr, aparte del espectro de átomos de hidrógeno que la teoría de Bohr estaba diseñada para reproducir. Esa teoría perfeccionó el modelo de Ernest Rutherford y Antonius van den Broek, que proponía que el átomo contiene en su núcleo un número de cargas nucleares positivas igual a su número (atómico) en la tabla periódica, que sigue siendo el modelo aceptado hoy en día.


Infografía Henry Moseley

Cuando estalló la Primera Guerra Mundial en Europa Occidental, Moseley dejó atrás su trabajo de investigación en la Universidad de Oxford para trabajar como voluntario para los Ingenieros Reales del Ejército Británico. Moseley fue asignado a la fuerza de soldados del Imperio Británico que invadió la región de Gallipoli, Turquía, en abril de 1915, como oficial de telecomunicaciones. Moseley fue asesinado a tiros durante la batalla de Galípoli el 10 de agosto de 1915, a la edad de 27 años. Los expertos han especulado que Moseley podría haber recibido el Premio Nobel de Física en 1916.

Infancia y educación

Henry G. J. Moseley, conocido por sus amigos como Harry, nació en Weymouth en Dorset en 1887. Su padre Henry Nottidge Moseley (1844-1891), que murió cuando Moseley era muy joven, era biólogo y también profesor de anatomía y fisiología en la Universidad de Oxford, que había sido miembro de la Expedición Challenger. La madre de Moseley era Amabel Gwyn Jeffreys, la hija del biólogo y conchólogo galés John Gwyn Jeffreys. También fue la campeona británica de ajedrez en 1913.

Henry Moseley en 1914
Henry Moseley en 1914

Moseley había sido un escolar muy prometedor en la Escuela de Campos de Verano (donde una de las cuatro «ligas» lleva su nombre), y se le concedió una beca del Rey para asistir al Eton College. En 1906 ganó los premios de química y física en Eton. En 1906, Moseley entró en el Trinity College de la Universidad de Oxford, donde obtuvo su licenciatura. Mientras estudiaba en Oxford, Moseley se unió a la Logia de la Universidad de Apolo.


Inmediatamente después de graduarse de Oxford en 1910, Moseley se convirtió en tutor de física en la Universidad de Manchester bajo la supervisión de Sir Ernest Rutherford. Durante el primer año de Moseley en Manchester, tuvo una carga de enseñanza como asistente de profesor graduado, pero después de ese primer año, fue reasignado de sus deberes de enseñanza para trabajar como asistente de investigación graduado. Rechazó una beca ofrecida por Rutherford, prefiriendo volver a Oxford, en noviembre de 1913, donde se le dieron facilidades de laboratorio, pero sin apoyo.

Trabajo científico de Henry Moseley

Experimentando con la energía de las partículas beta en 1912, Moseley demostró que se podían obtener altos potenciales a partir de una fuente radioactiva de radio, inventando así la primera batería atómica, aunque no pudo producir el 1MeV necesario para detener las partículas.

En 1913, Moseley observó y midió los espectros de rayos X de diversos elementos químicos (en su mayoría metales) que se encontraban por el método de difracción a través de cristales. Fue un uso pionero del método de espectroscopia de rayos X en la física, utilizando la ley de difracción de Bragg para determinar las longitudes de onda de los rayos X. Moseley descubrió una relación matemática sistemática entre las longitudes de onda de los rayos X producidos y los números atómicos de los metales que se utilizaban como blancos en los tubos de rayos X. Esto se ha conocido como la ley de Moseley.

La revolucionaria ley de Moseley

Antes del descubrimiento de Moseley, los números atómicos (o número elemental) de un elemento se habían pensado como un número secuencial semi-arbitrario, basado en la secuencia de las masas atómicas, pero modificado de alguna manera donde los químicos encontraron esta modificación deseable, como por ejemplo por el químico ruso, Dmitri Ivanovich Mendeleev.

Moseley con un tubo de vacío
Moseley con un tubo de vacío

En su invención de la Tabla Periódica de los Elementos, Mendeleev había intercambiado los órdenes de unos pocos pares de elementos para colocarlos en lugares más apropiados en esta tabla de los elementos. Por ejemplo, a los metales cobalto y níquel se les habían asignado los números atómicos 27 y 28, respectivamente, en función de sus propiedades químicas y físicas conocidas, a pesar de que tienen casi las mismas masas atómicas.


De hecho, la masa atómica del cobalto es ligeramente mayor que la del níquel, lo que los habría colocado en orden inverso si se hubieran colocado en la Tabla Periódica a ciegas según la masa atómica. Los experimentos de Moseley en la espectroscopia de rayos X mostraron directamente de su física que el cobalto y el níquel tienen los diferentes números atómicos, 27 y 28, y que se colocan en la Tabla Periódica correctamente por las mediciones objetivas de Moseley de sus números atómicos. Por lo tanto, el descubrimiento de Moseley demostró que los números atómicos de los elementos no son sólo números bastante arbitrarios basados en la química y la intuición de los químicos, sino que tienen una base experimental firme a partir de la física de sus espectros de rayos X.

Además, Moseley demostró que había lagunas en la secuencia de números atómicos en los números 43, 61, 72 y 75. Se sabe ahora que estos espacios son, respectivamente, los lugares de los elementos sintéticos radiactivos tecnecio y prometio, y también de los dos últimos elementos estables bastante raros que se producen naturalmente: el hafnio (descubierto en 1923) y el renio (descubierto en 1925). No se sabía nada de estos cuatro elementos en vida de Moseley, ni siquiera su existencia misma.

Llenando los huecos en la tabla periódica

Basándose en la intuición de un químico muy experimentado, Dmitri Mendeleev había predicho la existencia de un elemento que faltaba en la Tabla Periódica, que más tarde se descubrió que era el tecnecio, y Bohuslav Brauner había predicho la existencia de otro elemento que faltaba en esta Tabla, que más tarde se descubrió que era el prometio.

Los experimentos de Henry Moseley confirmaron estas predicciones, mostrando exactamente cuáles eran los números atómicos que faltaban, 43 y 61. Además, Moseley predijo la existencia de otros dos elementos no descubiertos, los que tenían los números atómicos 72 y 75, y dio una prueba muy fuerte de que no había otros huecos en la Tabla Periódica entre los elementos aluminio (número atómico 13) y oro (número atómico 79).


Una de las cámaras de vacío de Moseley, junto con el pequeño tren en el tubo adjunto que trajo diferentes muestras en el camino de un haz de rayos X, está en exhibición en el Museo de Historia de la Ciencia de la Universidad de Oxford.
Una de las cámaras de vacío de Moseley, junto con el pequeño tren en el tubo adjunto que trajo diferentes muestras en el camino de un haz de rayos X, está en exhibición en el Museo de Historia de la Ciencia de la Universidad de Oxford.

Esta última cuestión sobre la posibilidad de que hubiera más elementos no descubiertos («desaparecidos») había sido un problema permanente entre los químicos del mundo, particularmente dada la existencia de la gran familia de la serie de lantánidos de elementos de tierras raras. Moseley pudo demostrar que estos elementos lantánidos, es decir, desde el lantano hasta el lutecio, deben tener exactamente 15 miembros, ni más ni menos.

El número de elementos en los lantánidos había sido una cuestión que estaba muy lejos de ser resuelta por los químicos de principios del siglo XX. Todavía no podían producir muestras puras de todos los elementos de las tierras raras, ni siquiera en forma de sus sales, y en algunos casos no podían distinguir entre las mezclas de dos elementos de tierras raras muy similares (adyacentes) de los metales puros cercanos en la tabla periódica.

Por ejemplo, había un llamado «elemento» al que incluso se le dio el nombre químico de «didimio». Algunos años más tarde se descubrió que el «didimio» era simplemente una mezcla de dos elementos genuinos de las tierras raras, y a éstos se les dio los nombres de neodimio y praseodimio, que significan «nuevo gemelo» y «gemelo verde». Además, el método de separar los elementos de las tierras raras por el método de intercambio de iones no se había inventado todavía en la época de Moseley.

El método de Moseley en la temprana espectroscopia de rayos X fue capaz de resolver rápidamente los problemas químicos mencionados, algunos de los cuales habían ocupado a los químicos durante varios años. Moseley también predijo la existencia del elemento 61, un lantánido cuya existencia era previamente insospechada. Bastantes años más tarde, este elemento 61 fue creado artificialmente en reactores nucleares y fue llamado prometeo.

Contribución de Moseley a la comprensión del átomo

El descubrimiento de Moseley mostró que los números atómicos no se asignaban arbitrariamente, sino que tenían una base física definida. Moseley postuló que cada elemento sucesivo tiene una carga nuclear exactamente una unidad mayor que su predecesor. Moseley redefinió la idea de los números atómicos de su estado anterior como una etiqueta numérica ad hoc para ayudar a clasificar los elementos en una secuencia exacta de números atómicos ascendentes que hacía que la Tabla Periódica fuera exacta. (Esto iba a ser más tarde la base del principio de Aufbau en los estudios atómicos.)


Una figura de una de las publicaciones de Moseley muestra cómo ordenó sus datos de espectros de rayos X por longitud de onda para indicar dónde se deben insertar los espectros elementales adicionales, lo que demuestra la presencia de elementos aún por descubrir en ese momento. Cuando hizo esta figura, Moseley todavía no había examinado el escandio, que debería estar entre el calcio (Ca) y el titanio (Ti) en la parte superior de los espectros. El latón mostraba una mezcla de líneas de cobre y zinc.
Una figura de una de las publicaciones de Moseley muestra cómo ordenó sus datos de espectros de rayos X por longitud de onda para indicar dónde se deben insertar los espectros elementales adicionales, lo que demuestra la presencia de elementos aún por descubrir en ese momento. Cuando hizo esta figura, Moseley todavía no había examinado el escandio, que debería estar entre el calcio (Ca) y el titanio (Ti) en la parte superior de los espectros. El latón mostraba una mezcla de líneas de cobre y zinc.

Como señaló Bohr, la ley de Moseley proporcionó un conjunto de datos experimentales razonablemente completo que apoyaba la concepción (nueva a partir de 1911) de Ernest Rutherford y Antonius van den Broek del átomo, con un núcleo cargado positivamente rodeado de electrones cargados negativamente en el que se entiende que el número atómico es el número físico exacto de cargas positivas (descubiertas más tarde y llamadas protones) en los núcleos atómicos centrales de los elementos. Moseley mencionó a los dos científicos arriba en su trabajo de investigación, pero en realidad no mencionó a Bohr, que era bastante nuevo en la escena entonces. Se encontró que una simple modificación de las fórmulas de Rydberg y Bohr daba una justificación teórica a la ley de Moseley, derivada empíricamente, para determinar los números atómicos.

Uso del espectrómetro de rayos X

Moseley participó en el diseño y desarrollo de los primeros equipos de espectrometría de rayos X, aprendiendo algunas técnicas de William Henry Bragg y William Lawrence Bragg en la Universidad de Leeds, y desarrollando otras él mismo.

Muchas de las técnicas de la espectroscopia de rayos X se inspiraron en los métodos que se utilizan con los espectroscopios de luz visible y los espectrogramas, sustituyendo los cristales, las cámaras de ionización y las placas fotográficas por sus análogos en la espectroscopia de luz. En algunos casos, Moseley encontró necesario modificar su equipo para detectar rayos X particularmente suaves [de baja frecuencia] que no podían penetrar ni en el aire ni en el papel, trabajando con sus instrumentos en una cámara de vacío

Muerte y legado

Placa azul erigida por la Sociedad Real de Química en el edificio Townsend del Laboratorio Clarendon en Oxford en 2007, conmemorando el trabajo de investigación de Moseley de principios del siglo XX sobre los rayos X emitidos por los elementos.
Placa azul erigida por la Sociedad Real de Química en el edificio Townsend del Laboratorio Clarendon en Oxford en 2007, conmemorando el trabajo de investigación de Moseley de principios del siglo XX sobre los rayos X emitidos por los elementos.

En algún momento de la primera mitad de 1914, Moseley renunció a su puesto en Manchester, con planes de regresar a Oxford y continuar sus investigaciones en física allí. Sin embargo, la Primera Guerra Mundial estalló en agosto de 1914, y Moseley rechazó esta oferta de trabajo para alistarse con los Ingenieros Reales del Ejército Británico.

Su familia y amigos trataron de persuadirlo de que no se alistara, pero él pensó que era su deber. Moseley sirvió como oficial técnico en comunicaciones durante la batalla de Gallipoli, en Turquía, a partir de abril de 1915, donde murió en acción el 10 de agosto de 1915. Moseley fue disparado en la cabeza por un francotirador turco mientras telefoneaba una orden militar.


Con sólo veintisiete años en el momento de su muerte, Moseley podría, en opinión de algunos científicos, haber contribuido mucho al conocimiento de la estructura atómica si hubiera sobrevivido. Niels Bohr dijo en 1962 que el trabajo de Rutherford «no fue tomado en serio en absoluto» y que «el gran cambio vino de Moseley».

Se instalaron placas conmemorativas a Henry Moseley en Manchester y Eton, y una beca de la Royal Society, establecida por su testamento, tuvo como segundo destinatario al físico P. M. S. Blackett, quien más tarde se convirtió en presidente de la Sociedad.

El premio y medalla Henry Moseley del Instituto de Física británico es nombrado en su honor.

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