Moseley y la Tabla Periódica

Moseley y la Tabla Periódica Oscar E. Piro. Marzo, 2025 Departamento de Física e Instituto IFLP (CONICET), FCE, UNLP, CC 67, (1900) La Plata, Argentina

Introducción El descubrimiento en 1912 de la difracción de rayos-X por cristales, por un lado, inició el notable desarrollo de métodos para la determinación de la estructura molecular de los materiales. Por el otro, dio origen a la espectroscopía de rayos-X, donde cristales actúan como monocromadores de muy corta longitud de onda. En 1913, Henry Gwyn Jeffreys Moseley (físico británico, 1887-1915) incorporó exitosamente esta poderosa herramienta en la determinación del orden correcto de elementos en la Tabla Periódica, basado en el número atómico Z, y así en la racionalización de las propiedades fisicoquímicas de los mismos (Fig. 1). Hasta entonces, dicho orden era obtenido por medios químicos, de espectroscopía óptica y a partir de propiedades físicas (ver: Sesquicentenario de la Tabla Periódica de Mendeleiev - Descubriendo la Física)

Figura 1. Izquierda: Moseley en un laboratorio de la Universidad de Oxford (1910), Derecha: Moseley como oficial ingeniero en comunicaciones del ejército británico (1914).

Cuando estalló la Primera Guerra Mundial, Moseley dejó atrás sus trabajos de investigación en la Universidad de Oxford, Inglaterra, y se enroló voluntariamente como oficial ingeniero en comunicaciones del ejército británico. Murió a los 27 años (el 10 de agosto de 1915) a manos de un francotirador en una encarnizada batalla durante la fallida invasión británica de la península Otomana de Gallipoli, Los expertos han especulado que, de no mediar su inesperado deceso, las valiosas contribuciones científicas de Moseley, incluyendo la predicción de nuevos elementos químicos de la Tabla Periódica, confirmada posteriormente por el descubrimiento de los mismos, y la identificación y posicionamiento en dicha Tabla de las por entonces elusivas tierras raras, le habrían valido el Premio Nobel en Física de 1916. Recordando el 110 aniversario de la temprana y trágica muerte de Moseley, en este ensayo describiremos sucintamente las circunstancias científicas e históricas que dieron marco a su brillante trabajo de investigación. Antecedentes En 1911, Antonius J. van den Broek (físico aficionado y abogado holandés, 1870-1926) propuso una hipótesis atractiva sobre el significado físico del número ordinal de los elementos (número atómico) en la Tabla Periódica.[1] Su hipótesis estaba basada en trabajo experimental reciente debido a Ernest Rutherford (físico neozelandés, 1871-1937) y a Charles G. Barkla (físico británico, 1877-1944) y también en una temprana observación de Dimitri I. Mendeleev (químico ruso, 1834-1907): (i) Teniendo en cuenta la teoría de Rutherford sobre ‘dispersión simple’,[2] resulta que la carga nuclear de los elementos en unidades de carga electrónica es aproximadamente igual a la mitad del peso atómico, llevado a unidades enteras de la masa del hidrógeno. (ii) A partir de la determinación experimental de la energía de rayos-X dispersada por elementos livianos, Barkla calcula el número de electrones dispersores en una cantidad conocida de materia, basado en la teoría de Joseph J. Thompson (físico británico, 1856-1940) sobre dispersión de radiación electromagnética por electrones, para concluir que el número de electrones por átomo es cerca de la mitad del peso atómico del elemento.[3] (iii) Mendeleyev en Ref. [3] provee un valor medio constante igual a 2 para la diferencia entre pesos atómicos consecutivos en la Tabla Periódica, y así desde el hidrogeno al uranio predice la existencia de 120 elementos posibles.[5] Tomando en cuenta que para un átomo neutro las cargas electrónica y nuclear (Z) son iguales entre sí e iguales a la mitad de su peso atómico (Z ≈ A/2) y que los pesos atómicos de elementos sucesivos se incrementan en pasos de dos unidades, Van den Broek sugiere entonces que la carga nuclear Z define la posición ordinal de un elemento en la Tabla Periódica (Z = número atómico). En otras palabras, cada sucesivo elemento en la Tabla Periódica tendría una carga nuclear mayor en una unidad de la que posee el elemento previo.[6]. El autor A. Pais ha comentado:[7] “Así, basado en una tabla periódica incorrecta y una relación incorrecta (Z ≈ A/2), entra por primera vez en la física la primacía de Z como el número ordenador de la tabla periódica” La hipótesis de van dé Broek inspiraría el trabajo de Moseley, quién encontraría en 1913 evidencia experimental abrumadora de la misma.

Las predicciones de Moseley fueron sustanciadas más tarde por el descubrimiento de los elementos químicos involucrados, esto es: 1. El elemento predicho con el número atómico 75 fue descubierto en 1925 por Walter Noddack, Ida Tacke y Otto Berg en Alemania, usando los métodos de Moseley y nombrado Renio (Re). 2. El elemento con el número atómico 43 fue descubierto en 1937 por Carlo Perrier y Emilio Segrè en Italia. Fue llamado Tecnecio (Tc) y es el primer elemento radiactivo obtenido artificialmente. 3. El elemento con el número atómico 61 fue descubierto en 1945 en el Oak Ridge National Laboratory, USA por Jacob A. Marinsky, Lawrence E. Glendenin y Charles D. Coryell y fue llamado Prometio (Pm). A principios del siglo XX ya se sabía que los rayos-X, descubiertos en 1895 por Wilhelm C. Röntgen (físico e ingeniero alemán, 1845-1923), eran de dos tipos. El primer tipo fue el observado originalmente por Röntgen y se produce cuando los electrones son frenados por impacto contra algún medio, tal como las paredes de vidrio de un tubo de Crookes evacuado. El segundo tipo fue descubierto alrededor de 1906 por Barkla como una especie de rayos-X emitidos cuando los electrones impactan objetos metálicos. Cada metal produciría un patrón de líneas de rayos-X diferente de frecuencias características que Barkla denominó radiaciones K y L .[8]. Los trabajos de W.L. Bragg [11,12], sentaron las bases de la cristalografía de rayos X, y a los trabajos posteriores de su hijo W.H. Bragg, quien logró determinar las longitudes de onda en diversos elementos a las que identificó con las líneas K y L dadas por Barkla [13]. Estos trabajos fueron pioneros en el desarrollo de la espectroscopía de rayos X. Esta disciplina sería fundamental para la prueba experimental de Moseley de que el número atómico, no el peso atómico, determina el correcto orden de los elementos en la Tabla Periódica. Para obtener la frecuencia de las líneas de los espectros de emisión en el átomo de Hidrógeno y en iones hidrogenoides (con un único electrón) como Helio ionizado, Litio doblemente ionizado, etc, se empleaba la fórmula empírica hallada por Rydberg (físico sueco, 1854–1919) [14]. La explicación teórica de esta fórmula fue dada por la teoría cuántica de Bohr [15]. Moseley introdujo ligeras modificaciones para poder emplear esta fórmula para estudiar las líneas en los espectros de emisión de átomos con muchos electrones. Al estudiar las frecuencias de las líneas K (correspondiente a la transición entre los niveles n=1 y n=2) en metales desde el Calcio al Zinc encontró que estas frecuencias se ajustaban a los experimentos si en lugar de usar el número atómico Z en la fórmula de Ridberg se usaba Z-1. Estas modificaciones, en el marco de la teoría Bohr, implicaban que las frecuencias de dichas líneas puedan interpretarse como si el electrón de la transición ‘sintiera’ una carga nuclear apantallada por un electrón de carozo (es decir sintiera una carga nuclear efectiva de Z-1. En las palabras del mismo Moseley:[17] “Tenemos aquí una prueba de que hay en el átomo una cantidad fundamental, que aumenta por pasos regulares a medida que pasamos de un elemento al siguiente. Esta cantidad sólo puede ser la carga en el núcleo central positivo, de cuya existencia ya tenemos pruebas definitivas” En un segundo artículo [18] Moseley agrega más de treinta elementos a su examen espectroscópico. Tan pronto como Moseley estableció experimentalmente la importancia del número atómico, comenzó a aplicar su método para dilucidar varias cuestiones relacionadas con posibles nuevos elementos cuyo descubrimiento había sido reclamado por diversos químicos. Fueron propuestos un total de unos 70 nuevos elementos que competían para llenar 16 huecos en la Tabla Periódica de Mendeleev. Moseley mostró que muchos de éstos eran espurios. También resolvió algunas disputas sobre prioridad en el descubrimiento de ciertos elementos, incluyendo al ‘nipponium’, cuyo aislamiento reclamaba Masataka Ogawa (químico japonés, 1865-1930) creyendo que se trataba del ‘eka-manganeso’ de Mendeleev.[19] Moseley mostró que el reclamo era infundado dado que la muestra provista por Ogawa no mostró el número atómico requerido cuando fue sometida al análisis espectral. El trabajo de Moseley también dilucidó la cuestión del posicionamiento de los elementos de tierras raras, una tarea elusiva para Mendeleev y otros pioneros de la tabla periódica. En una oportunidad, Mendeleev admitiría: “La posición de las tierras raras es uno de los problemas más difíciles que se presenta a la Ley Periódica.” El no pudo encontrar lugares para ellos en su lista de elementos. Los químicos tenían grandes dificultades para aislar y purificar estos elementos, debido a que muestran propiedades químicas y físicas muy similares. El problema había preocupado a químicos durante años. William Crookes (químico y físico británico, 1832-1919) opinaría: “Las tierras raras nos dejan perplejos en nuestros propios sueños. Se extienden como un mar desconocido ante nosotros, burlándose, mistificando y murmurando extrañas revelaciones y posibilidades”.[20] Moseley decide abordar el problema con su método de espectroscopía de rayos-X, midiendo las líneas L de emisión de esos elementos en muestras provistas por diversos científicos. Particularmente, en mayo de 1914, Georges Urbain (químico francés, 1872-1938), quien había trabajado en tierras raras por muchos años (descubrió el lutecio en 1907), viajó a Oxford para visitar a Moseley. Quería examinar el espectro de rayos-X de un hipotético elemento nuevo que creía haber descubierto y que llamó celtium (número atómico 61). Urbain también aportó a Moseley otros compuestos, incluyendo un mineral conteniendo un número desconocido de tierras raras en muy pequeñas cantidades mezcladas entre sí, para que determinara que elementos estaban presentes. Luego de medidas cuidadosas con su equipo de rayos-X durante una semana, Moseley proveyó a Urbain con un análisis espectroscópico completo de las tierras raras incluidas en sus muestras. Resultaron presentes los elementos erbio, tulio, yterbio y lutecio (Z = 68, 69, 70 and 71, respectivamente), pero no el elemento correspondiente a Z = 61. Urbain se vio sorprendido por la rapidez y confiabilidad del análisis de Moseley, pero a la vez decepcionado por la carencia de celtium en sus muestras. El mismo logro habría tomado a Urbain varios meses de análisis por medios químicos. Urbain, entonces, le pide a Moseley que determine las cantidades relativas de los varios elementos en sus muestras. De nuevo se sorprende al recibir una respuesta que coincidía casi exactamente con sus propias y laboriosas determinaciones mediante análisis químico. El brillante trabajo de Moseley mostró que la serie de los lantánidos, integrada por los hasta entonces elusivos elementos de tierras raras, esto es, desde el lantano al lutecio inclusive (Z = 57 a 71), debe contener exactamente 15 miembros, ni uno más ni uno menos. Más aún, el trabajo de Moseley facilitó el tratar con la profusión de aparentes ‘elementos’ que surgía como resultado de la investigación sobre isótopos radiactivos, una cuestión que confundió a van den Broek. Dos sustancias se considerarán como siendo el mismo elemento químico si, y solo si, ellas muestran el mismo número atómico (Z), valor que puede medirse de manera clara y sin ambigüedad mediante el método de Moseley.

Referencias [1] A. J. van den Broek, A. J. The Number of Possible Elements and Mendeléeff's Cubic Periodic System, Nature 87, 78 (1911). [2] E. Rutherford, LXXIX. The scattering of α and β particles by matter and the structure of the atom, Phil. Mag. 21, 669-688 (1911). [3] C. G. Barkla, Note on the Energy of Scattered X-Radiation, Phil. Mag. 21, 648-652 (1911) [4] D. I. Mendeleyev, Die Beziehungen zwisehen den Eigenschaften der Elemente und ihren Atomgewichten, Ostw. Klass. 68, pp. 32, 36, 37, and 74 (1895). [5] A. J. van den Broek, Das Mendelejeff'sche ‘Kubische’ Periodische System der Elemente und die Einordnung der Radioelemente in dieses System, Physik. Zeitschr. 12, 490-497 (1911). [6] A. J. van den Broek, Intra-atomic Charge, Nature 92, 372–373 (1913). [7] A. Pais, Inward Bound, Oxford University Press, New York, p.227 (1986). [8] C. G. Barkla. Polarization in Secondary Röntgen Radiation. Proceeding of the Royal Society A77, 247–255 (1906). [9] W. Friedrich, P. Knipping, M. Laue. Interferenz-Erscheinungen bei Röntgenstrahlen. Ann Phys. 41, 971-988 (1913). [10] M. Laue, Eine Quantitative Prüfung der Theorie für die Interferenzer Scheinungen bei Röntgenstrahlen. Ann Phys. 41, 989-1002 (1913). [11] W. L. Bragg. The diffraction of short electromagnetic waves by crystal. Proc. Camb. Philos. Soc. 17, 43–57 (1913). [12] W. L. Bragg, The analysis of crystals by the X-ray spectrometer, Proc. R. Soc. A89, 468–489 (2014). [13] W. H. Bragg, The X-ray spectrometer, Nature 94 (2347),199–200 (1914). [14] J. R. Rydberg, Researches sur la constitution des spectres d'émission des éléments chimiques, Kongliga Svenska Vetenskaps-Akademiens Handlingar. 2nd series (in French) 23 (11), 1-177 (1889). [15] N. Bohr, Constitution of Atoms and Molecules, Part II Systems Containing Only a Single Nucleus. Philosophical Magazine. 26 (153), 476-502 (1913). [16] H. G. J. Moseley, The high-frequency spectra of the elements, Phil. Mag. 26, 1024-1034 (1913). [17] H. G. J. Moseley, Atomic Models and X-Ray Spectra, Nature 92, 554 (1913). [18] H. G. J. Moseley, LXXX. The high-frequency spectra of the elements, Part II, Phil. Mag.27 (160), 703-713 (1914). [19] El ‘eka-manganeso’ fue eventualmente descubierto más tarde y llamado tecnecio. [20] B. Jaffe, Crucibles: The Story of Chemistry from Ancient Alchemy to Nuclear Fission, Simon & Schuster, New York (1948).