כשהעולם המדעי בתחילת המאה העשרים עדיין נאבק להבין מה באמת מתחולל בתוך גרעין האטום, הופיע צעיר אנגלי אחד ששינה את כללי המשחק. הנרי מוזלי, תלמידו הנאמן של רתרפורד, הצליח באמצעות קרני רנטגן לחשוף סדר עמוק ומדויק שחמק מעיני המדענים במשך עשורים. בתוך מעבדת אוניברסיטת מנצ'סטר, הרחק מאור הזרקורים, הוא גילה חוק פשוט אך מהפכני שהפך לאבן יסוד בהבנת מבנה החומר…
רקע
מוזלי היה פיזיקאי מבריק שעבד באוניברסיטת מנצ'סטר תחת ארנסט רתרפורד, אבי הפיזיקה הגרעינית. הוא התעניין בתכונות קרני הרנטגן (X-rays) ובאופן שבו ניתן להשתמש בהן כדי לחקור את מבנה האטומים. הוא השתמש במכשיר הנקרא ספקטרומטר כדי למדוד את אורכי הגל של קרני הרנטגן הנפלטות על ידי יסודות שונים כאשר הם מופגזים באלקטרונים. הוא גילה שיש דפוס קבוע בספקטרום קרני הרנטגן, ושכל יסוד הציג סט קווים אופייני שניתן היה להשתמש בו לזיהויו. הוא גם גילה שתדירות הקו האינטנסיבי (החזק) ביותר בכל ספקטרום הייתה פרופורציונלית לריבוע של מספר שהוא ייחס לכל יסוד. מספר זה, שאותו כינה מספר אטומי, נמצא מאוחר יותר כשווה למספר הפרוטונים בגרעין האטום.
חשיבות התגלית של מוזלי
תגליתו של מוזלי הייתה חשובה מאוד לכימיה ולפיזיקה, מכיוון שהיא סיפקה דרך ברורה והגיונית לארגן את היסודות בטבלה המחזורית. היא גם הסבירה מדוע ליסודות מסוימים יש תכונות כימיות דומות, כיוון שיש להם אותו מספר אלקטרונים בקליפות החיצוניות שלהם. עבודתו של מוזלי תמכה גם בתאוריית האטום של נילס בוהר, שהציעה כי אלקטרונים מקיפים את הגרעין ברמות אנרגיה בדידות. חוק מוזלי גם ניבא את קיומם של כמה יסודות חסרים שטרם התגלו, כגון טכנציום, פרומתיאום ורניום.
חייו של פיזיקאי
הנרי ג. ג'. מוזלי, שנודע בקרב חבריו בשם הארי, נולד בוויימות' (Weymouth) שבדורסט (Dorset) בשנת 1887. אביו, הנרי נוטידג' מוזלי (1844–1891), שמת כשהיה מוזלי צעיר למדי, היה ביולוג ופרופסור לאנטומיה ופיזיולוגיה באוניברסיטת אוקספורד, והיה חבר במשלחת "צ'לנג'ר" (Challenger Expedition). אמו של מוזלי הייתה אמבל גווין ג'פריס, בתו של הביולוג והקונכילוג (חוקר קונכיות) הוולשי ג'ון גווין ג'פריס. היא אף הייתה אלופת הנשים הבריטית בשחמט בשנת 1913.
מוזלי היה תלמיד מבטיח מאוד בבית הספר "סאמר פילדס" (שבו אחת מארבע ה"ליגות" קרויה על שמו), וזכה למלגת המלך כדי ללמוד במכללת איטון. בשנת 1906 זכה בפרסי הכימיה והפיזיקה באיטון. ב-1906 נרשם מוזלי ללימודי תואר ראשון באוניברסיטת אוקספורד, בטריניטי קולג', שם קיבל את תואר הבוגר באמנויות שלו. בהיותו סטודנט לתואר ראשון באוקספורד, הפך מוזלי לבּוֹנֶה חופשי כאשר הצטרף ללשכת "אפולו יוניברסיטי".
מיד לאחר שסיים את לימודיו באוקספורד ב-1910, הפך מוזלי למַדגים בפיזיקה באוניברסיטת מנצ'סטר, נבחר כחבר ב"אגודה הספרותית והפילוסופית של מנצ'סטר" ב-9 במאי 1911, ועבד תחת פיקוחו של ארנסט רתרפורד. במהלך שנתו הראשונה במנצ'סטר, עומס ההוראה של מוזלי היה רב כעוזר הוראה לתארים מתקדמים, אך לאחר שנה, הועבר מתפקידי ההוראה לעבוד כעוזר מחקר לתארים מתקדמים. הוא סירב למלגת מחקר שהוצעה לו על ידי רתרפורד והעדיף לחזור לאוקספורד בנובמבר 1913, שם קיבל מתקני מעבדה אך ללא תמיכה כספית.
חוק מוזלי
במהלך ניסויים עם אנרגיית חלקיקי בטא ב-1912, מוזלי הראה כי ניתן להגיע לפוטנציאלים חשמליים גבוהים ממקור רדיואקטיבי של רדיום, ובכך המציא את הסוללה האטומית הראשונה, אם כי לא הצליח לייצר את מיליון הוולט (1MV) שהיו נחוצים כדי לעצור את החלקיקים. בשנת 1913, מוזלי צפה ומדד את ספקטרום קרני הרנטגן של יסודות כימיים שונים (בעיקר מתכות) באמצעות שיטת עקיפה דרך גבישים. זה היה שימוש חלוצי בשיטת ספקטרוסקופיית קרני רנטגן בפיזיקה, תוך שימוש בחוק העקיפה של בראג (Bragg's diffraction law) כדי לקבוע את אורכי הגל של קרני הרנטגן. מוזלי גילה קשר מתמטי שיטתי בין אורכי הגל של קרני הרנטגן שהופקו לבין המספרים האטומיים של המתכות ששימשו כמטרות בשפופרות קרני הרנטגן. קשר זה נודע בשם חוק מוזלי.
לפני התגלית של מוזלי, המספר האטומי (או המספר היסודי) של יסוד נחשב למספר סידורי חצי-שרירותי, שהתבסס על רצף של משקלים אטומיים, אך שוּנה במקצת כאשר כימאים מצאו שינוי זה רצוי, כפי שעשה הכימאי הרוסי דמיטרי איוואנוביץ' מנדלייב. בהמצאת הטבלה המחזורית של היסודות, החליף מנדלייב את סדרם של כמה זוגות יסודות כדי למקם אותם במקומות מתאימים יותר בטבלה זו. לדוגמה, למתכות קובלט וניקל שויכו המספרים האטומיים 27 ו-28, בהתאמה, על בסיס תכונותיהן הכימיות והפיזיקליות הידועות, אף על פי שיש להן מסות אטומיות כמעט זהות. למעשה, המסה האטומית של קובלט מעט גדולה מזו של ניקל, כך שניקל היה ממוקם בטבלה המחזורית לפני קובלט אילו מוינו אך ורק לפי מסה אטומית.
עם זאת, ניסוייו של מוזלי בספקטרוסקופיית של קרני רנטגן הראו ישירות מתוך הפיזיקה שלהם שלקובלט ולניקל יש מספרים אטומיים שונים, 27 ו-28, ושמיקומם בטבלה המחזורית נכון על פי המדידות האובייקטיביות של מוזלי של המספרים האטומיים שלהם. לפיכך, תגליתו של מוזלי הוכיחה שהמספרים האטומיים של יסודות אינם רק מספרים שרירותיים למדי המבוססים על כימיה ואינטואיציה של כימאים, אלא שיש להם בסיס ניסיוני מוצק שמקורו בפיזיקה של ספקטרום קרני הרנטגן שלהם.
בנוסף, מוזלי הראה שישנם פערים ברצף המספרים האטומיים במספרים 43, 61, 72 ו-75. כיום ידוע שמקומות אלה שייכים, בהתאמה, ליסודות הרדיואקטיביים הסינתטיים טכנציום ופרומתיאום, וכן לשני היסודות היציבים הנדירים המצויים בטבע הפניום (שנתגלה ב-1923) ורניום (שנתגלה ב-1925). דבר לא היה ידוע על ארבעת היסודות הללו בחייו של מוזלי, אפילו לא עצם קיומם. על בסיס האינטואיציה של כימאי מנוסה מאוד, דמיטרי מנדלייב, ניבא את קיומו של יסוד חסר בטבלה המחזורית, שלימים נמצא כטכנציום. גם בוהוסלב בראונר ניבא את קיומו של יסוד חסר נוסף, שלימים נמצא כפרומתיאום. ניסוייו של הנרי מוזלי אישרו את הניבויים הללו, על ידי הצגת המספרים האטומיים החסרים במדויק: 43 ו-61. בנוסף, מוזלי ניבא את קיומם של שני יסודות נוספים שטרם התגלו, בעלי מספרים אטומיים 72 ו-75, וסיפק ראיות חזקות מאוד לכך שאין פערים נוספים בטבלה המחזורית בין היסודות אלומיניום (מספר אטומי 13) וזהב (מספר אטומי 79).
שאלה אחרונה זו לגבי האפשרות לקיומם של יסודות נוספים שלא נתגלו ("חסרים") הייתה בעיה קיימת בקרב כימאים ברחבי העולם, במיוחד לאור קיומה של המשפחה הגדולה של יסודות הלנתנידים (יסודות אדמה נדירים). מוזלי הצליח להוכיח כי יסודות הלנתנידים, כלומר, מלנתן ועד לוטציום, חייבים לכלול בדיוק 15 חברים – לא יותר ולא פחות. מספר היסודות בלנתנידים היה שאלה שהייתה רחוקה מלהיות מוכרעת על ידי הכימאים של ראשית המאה ה-20. הם טרם יכלו להפיק דגימות טהורות של כל יסודות האדמה הנדירים, אפילו לא בצורת המלחים שלהם, ובמקרים מסוימים הם לא הצליחו להבדיל בין תערובות של שני יסודות אדמה נדירים דומים מאוד (סמוכים) לבין מתכות טהורות סמוכות בטבלה המחזורית. לדוגמה, היה "יסוד" כביכול שאפילו קיבל את השם הכימי "דידימיום". "דידימיום" נמצא שנים מאוחר יותר כתערובת פשוטה של שני יסודות אדמה נדירים אמיתיים, שקיבלו את השמות נאודימיום ופרסאודימיום, שמשמעותם "תאום חדש" ו"תאום ירוק". כמו כן, שיטת הפרדת יסודות האדמה הנדירים בדרך של החלפת יונים טרם הומצאה בתקופתו של מוזלי. השיטה של מוזלי בספקטרוסקופיית קרני רנטגן המוקדמת הצליחה לפתור במהירות את הבעיות הכימיות הללו, שחלקן העסיקו כימאים במשך מספר שנים. מוזלי גם ניבא את קיומו של יסוד 61, לנתניד שקיומו לא היה חשוד קודם לכן. שנים רבות לאחר מכן, יסוד 61 נוצר באופן מלאכותי בכורים גרעיניים ונקרא פרומתיאום.
תרומתו להבנת האטום
לפני מוזלי, המספרים האטומיים נחשבו למספר סידורי חצי-שרירותי, שעולה באופן מעורפל עם המשקל האטומי אך אינו מוגדר על ידו באופן מחמיר. תגליתו של מוזלי הראתה שהמספרים האטומיים לא שויכו באופן שרירותי, אלא יש להם בסיס פיזיקלי מוגדר. מוזלי שיער שכל יסוד עוקב נושא מטען גרעיני גדול בדיוק ביחידה אחת מקודמו. מוזלי הגדיר מחדש את רעיון המספרים האטומיים, ממעמדו הקודם כתג מספרי אד הוק (לצורך העניין) המסייע במיון היסודות, לרצף מדויק של מספרים אטומיים עולים, שהפך את הטבלה המחזורית למדויקת. (זה הפך מאוחר יותר לבסיס לעיקרון אאופבָּאוּ (Aufbau principle) בחקר האטום). כפי שציין בוהר, חוק מוזלי סיפק מערך נתונים ניסיוני שלם למדי שתמך בתפיסה (חדשה מ-1911) של ארנסט רתרפורד ואנטוניוס ואן דן ברוק לגבי האטום: גרעין טעון חיובית המוקף באלקטרונים טעונים שלילית, שבו המספר האטומי מובן כמספר הפיזיקלי המדויק של מטענים חיוביים (שמאוחר יותר נתגלו ונקראו פרוטונים) בגרעין האטום המרכזי של היסודות. מוזלי הזכיר את שני המדענים הנ"ל במאמר המחקר שלו, אך לא הזכיר את בוהר, שהיה אז חדש יחסית בזירה. שינויים פשוטים של נוסחאות רִידברג ובוהר נמצאו כמספקים הצדקה תיאורטית לחוק של מוזלי, שהתקבל באופן אמפירי לקביעת מספרים אטומיים.
ספקטרומטרים של קרני רנטגן הם אבן הפינה של קריסטלוגרפיה בקרני רנטגן. ספקטרומטרי קרני הרנטגן כפי שמוזלי הכיר אותם פעלו כדלקמן: נעשה שימוש בְּשפופרת אלקטרונים (מנורת זכוכית), הדומה לזו שמוזלי מחזיק בתמונה. בתוך השפופרת המפונה, אלקטרונים נורו אל חומר מתכתי (כלומר, דגימה של יסוד טהור בעבודתו של מוזלי), מה שגרם ליינון של אלקטרונים מהקליפות האלקטרוניות הפנימיות של היסוד. הקפיצה חזרה של אלקטרונים לחורים אלה בקליפות הפנימיות גורמת לאחר מכן לפליטת פוֹטוֹנים של קרני רנטגן, שיצאו מהשפופרת באלומה למחצה, דרך פתח במיגון קרני הרנטגן החיצוני. אלו עוברות עקיפה על ידי גביש מלח מתוקנן, והתוצאות הזוויתיות נקראות כקווים צילומיים באמצעות חשיפת סרט צילום רנטגני קבוע מחוץ לשפופרת הוואקום במרחק ידוע. יישום חוק בראג (לאחר ניחוש ראשוני של המרחקים הממוצעים בין האטומים בגביש המתכתי, על בסיס צפיפותו) אפשר לאחר מכן לחשב את אורך הגל של קרני הרנטגן הנפלטים.
מוזלי השתתף בתכנון ובפיתוח ציוד ספקטרומטריית קרני רנטגן מוקדם, למד כמה טכניקות מוויליאם הנרי בראג ומוויליאם לורנס בראג באוניברסיטת לידס, ופיתח אחרות בעצמו. רבות מהטכניקות של ספקטרוסקופיית קרני רנטגן קיבלו השראה מהשיטות המשמשות עם ספקטרוסקופים וספקטרוגרמות של אור נראה, על ידי החלפת גבישים, תאי יינון ולוחות צילום באנלוגים שלהם בספקטרוסקופיית אור. במקרים מסוימים, מוזלי מצא צורך לשנות את הציוד שלו כדי לזהות קרני רנטגן רכות במיוחד (תדירות נמוכה יותר) שלא יכלו לחדור לאוויר או לנייר, על ידי עבודה עם המכשירים שלו בתא ואקום.
במחצית הראשונה של שנת 1914, מוזלי התפטר מתפקידו במנצ'סטר, עם תוכניות לחזור לאוקספורד ולהמשיך שם את מחקרו בפיזיקה.
סוף הדרך
עם זאת, מלחמת העולם הראשונה פרצה באוגוסט 1914, ומוזלי דחה את הצעת העבודה באוקספורד כדי להתגייס במקום זאת לחיל ההנדסה המלכותי של הצבא הבריטי. משפחתו וחבריו ניסו לשכנע אותו שלא להצטרף, אך הוא חש שזו חובתו. מוזלי שירת כקצין קשר טכני בחיל התקשורת ונשלח גליפולי בטורקיה, החל מאפריל 1915 והשתתף במערכה נגד האימפריה העות'מאנית. הוא נהרג על ידי צלף ב-10 באוגוסט 1915, בגיל 27.
"עבודתו של רתרפורד 'כלל לא נלקחה ברצינות' וכי 'השינוי הגדול הגיע ממוזלי'."
נילס בוהר
מורשת
מותו עורר אבל בקרב מדענים וחוקרים רבים, שראו בו אחד הפיזיקאים המבטיחים ביותר בדורו. יש אף שהעריכו כי היה זוכה בפרס נובל לפיזיקה אילו היה שורד. מותו גם הניע את ממשלת בריטניה לאסור על מדענים בולטים אחרים לשרת בתפקידי קו חזית, לאחר שהבינו את הערך והחשיבות של המחקר המדעי לחברה.
רתרפורד האמין שעבודתו של מוזלי הייתה מזכה אותו בפרס נובל. לפני מותו, מוזלי היה מועמד לפרס נובל לכימיה לשנת 1915 על ידי סוונטה ארניוס; תקנון קרן נובל באותה תקופה איפשר להעניק את הפרס לאחר המוות לאדם שמת לאחר המועמדות, כך ששנת 1915 הייתה ההזדמנות היחידה להעניק את הפרס למוזלי. למרות זאת, ועדת נובל בחרה לבסוף להעניק את פרס הכימיה לשנת 1915 לריצ'רד וילשטאטר. פרס נובל לפיזיקה לשנת 1917 הוענק לצ'. ג'. בַּרְקְלָה (C.G. Barkla) "על גילוי קרינת הרנטגן האופיינית של יסודות", עבודה שהתבססה במידה רבה על זו של מוזלי.
לוחיות זיכרון למוזלי הוצבו במנצ'סטר ובאיטון, ומלגת לימודים של החברה המלכותית, שהוקמה על פי צוואתו, העניקה את המלגה השנייה לפיזיקאי פ. מ. ס. בלאקט (Blackett), שלימים הפך לנשיא החברה. מדליית ופרס הנרי מוזלי של מכון הפיזיקה נקראים על שמו.
לסיפורו של הנרי מוזלי יש איכות כמעט טרגית. הוא הספיק לחולל מהפכה של ממש בהבנת מבנה האטום לפני שמלאו לו 30 והעניק לטבלה המחזורית את יסוד הדיוק שהיה חסר לה במשך עשורים. חוק מוזלי לא היה רק תגלית מדעית מרשימה אלא אבן דרך שסגרה פערים, פתרה מחלוקות ישנות ופתחה דלת למחקר הגרעיני ולפיזיקה המודרנית. למרות חייו הקצרים, תרומתו הפכה לחלק בלתי נפרד מכל מה שידוע על מבנה החומר. זו רק הוכחה אחת מני רבים, עד כמה אדם אחד יכול לשנות תחום שלם ועד כמה המדע יכול להתקדם כשהוא פוגש סקרנות, דיוק ואת האומץ ללכת עד הסוף. הצטרפו למסע בהיסטוריה של המדע והטכנולוגיה באתר HistoryIsTold.com וגלו עוד סיפורים של מדענים ששינו את העולם.
