헨리 모즐리 (물리학자)

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1. 개요
2. 생애
3. 과학적 업적
4. 모즐리 주기율표
- 4.1. 멘델레예프 주기율표와의 차이점
- 4.2. 모즐리 주기율표의 한계와 의의
5. 사망과 영향
- 5.1. 제1차 세계 대전 참전과 죽음
- 5.2. 과학계의 애도와 평가
참조

1. 개요

헨리 모즐리(Henry G. J. Moseley)는 영국의 물리학자로, 1913년 X선 분광학 연구를 통해 원자 번호의 개념을 확립하는 데 기여했다. 그는 X선 스펙트럼과 원자 번호 사이에 수학적 관계가 있음을 발견하여 '모즐리의 법칙'을 제시했고, 이를 통해 원소의 화학적 성질을 결정하는 것은 원자량 대신 원자핵의 전하량, 즉 양성자 수임을 밝혀냈다. 모즐리의 연구는 주기율표의 문제점을 해결하고, 미지의 원소 존재를 예측하는 등 원자물리학 발전에 크게 기여했다. 그는 제1차 세계 대전에 참전하여 27세의 나이로 전사했다.

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헨리 모즐리 (물리학자) - [인물]에 관한 문서
기본 정보
이름	헨리 그윈 제프리즈 모즐리
로마자 표기	Henry Gwyn Jeffreys Moseley
출생일	1887년 11월 23일
출생지	잉글랜드도싯 주웨이머스
사망일	1915년 8월 10일
사망지	오스만 제국갈리폴리
사망 원인	전사
국적	영국
분야	물리학, 화학
학력	서머 필즈 스쿨 이튼 칼리지
모교	옥스퍼드 대학교트리니티 칼리지 맨체스터 대학교
알려진 업적	원자 번호, 모즐리의 법칙
영향	어니스트 러더퍼드
수상	마테우치 메달 (1919)
발음
IPA	/ˈmoʊzli/
주요 업적
러더퍼드의 알파 및 베타 입자 산란 연구	https://babel.hathitrust.org/cgi/pt?id=mdp.39015024088547;view=1up;seq=681
반 덴 브룩의 라디오 원소, 주기율표 및 원자 구성 연구	https://babel.hathitrust.org/cgi/pt?id=mdp.39015021268936;view=1up;seq=68
참고 자료
영국 인명 사전	https://doi.org/10.1093/ref:odnb/35125
아시모프의 과학 기술 전기 백과사전	https://www.worldcat.org/search?q=isbn%3A0385177712
20세기 서양 인명 사전	https://kotobank.jp/word/%E3%83%98%E3%83%B3%E3%83%AA%E3%83%BC%20G.J.%20%E3%83%A2%E3%83%BC%E3%82%BA%E3%83%AA%E3%83%BC-1716216
세계 대백과사전 제2판	https://kotobank.jp/word/%E3%83%A2%E3%83%BC%E3%82%BA%E3%83%AA%E3%83%BC%E3%81%AE%E6%B3%95%E5%89%87-168460

2. 생애

헨리 모즐리는 도싯주 웨이머스에서 태어나 이튼 칼리지와 옥스퍼드 대학교의 트리니티 칼리지를 졸업하고 1910년 맨체스터 대학교 특별연구원이 되어 어니스트 러더퍼드의 지도하에 연구 활동을 했다.^[27]^[31]

친구들에게 해리(Harry)로 알려진 헨리 G. J. 모즐리(Henry G. J. Moseley)는 1887년 도싯주의 웨이머스에서 태어났다.^[5] 그의 아버지 헨리 노티지 모즐리(Henry Nottidge Moseley, 1844~1891)는 생물학자이자 옥스퍼드 대학교의 해부학 및 생리학 교수였으며, 챌린저호 탐험의 일원이었다. 모즐리의 어머니 아마벨 그윈 제프리스(Amabel Gwyn Jeffreys)는 웨일스의 생물학자이자 조가비학자였던 존 그윈 제프리스(John Gwyn Jeffreys)의 딸이었다.^[6] 그녀는 1913년 영국 여자 체스 챔피언이기도 했다.^[7]^[8]

모즐리는 서머 필즈 스쿨(Summer Fields School)에서 매우 유망한 학생이었으며, 이튼 칼리지에 입학할 수 있는 킹 장학금을 받았다.^[9] 1906년 이튼에서 화학과 물리학 상을 수상했다.^[10] 같은 해, 옥스퍼드 대학교의 트리니티 칼리지(Trinity College)에 입학하여 학사 학위를 받았다. 옥스퍼드 대학교 재학 중 모즐리는 아폴로 대학교 로지(Apollo University Lodge)에 가입하여 프리메이슨이 되었다.^[11] 1910년 옥스퍼드 졸업 직후, 어니스트 러더퍼드 경(Sir Ernest Rutherford)의 지휘 아래 맨체스터 대학교에서 물리학 강사가 되었다. 맨체스터에서 모즐리의 첫 해에는 대학원 조교로서 강의 부담이 있었지만, 그 이후에는 강의 업무에서 배정이 바뀌어 대학원 연구 조교로 일하게 되었다. 그는 러더퍼드가 제안한 펠로우십을 거절하고 1913년 11월 옥스퍼드로 돌아가는 것을 선호했는데, 그곳에서는 실험실 시설은 제공받았지만 지원은 받지 못했다.^[12]

1914년 제1차 세계 대전이 시작되자 가족과 친구들의 반대를 무릅쓰고 영국 육군 공병대에 소속되어 출정했다. 갈리폴리 전투에 통신 담당 기술 장교로 참가하여, 현지에서 명령을 전화로 연락하던 중 오스만 제국의 저격수에게 머리를 맞아 전사했다.^[33]

3. 과학적 업적

헨리 모즐리는 어니스트 러더퍼드와 함께 방사능을 연구하면서 전자총을 이용한 실험을 하였다. 그는 원자에 전자총을 발사하여 X선을 발생시키고, 이 X선의 파장과 원자 번호 사이의 관계를 연구하여 X선 진동수의 제곱근이 원자 번호에 비례한다는 모즐리의 법칙을 발견하였다.^[14]

1912년, 모즐리는 베타입자의 에너지를 실험하면서 최초의 원자력 전지를 발명했지만, 입자를 정지시키는 데 필요한 1MV를 얻지는 못했다.^[13]

모즐리는 X선 분광법을 활용하여 다양한 금속 원소의 X선 스펙트럼을 관측하고, 브래그 회절 법칙을 통해 X선 파장을 결정했다. 이를 통해 원자 번호가 원자 질량이 아닌, X선 스펙트럼의 물리적 특성에 기반한 실험적 근거를 가진다는 것을 증명하였다.

모즐리의 연구는 주기율표에서 누락된 원소들의 위치를 예측하는 데에도 기여했다. 그는 원자 번호 43, 61, 72, 75에 해당하는 원소들이 존재할 것이라고 예측했으며, 이는 훗날 테크네튬, 프로메튬, 하프늄, 레늄의 발견으로 이어졌다. 또한, 란타넘부터 루테튬까지 15개의 란타넘족 원소가 존재한다는 것을 증명하여, 당시 화학자들의 난제였던 희토류 원소 분류 문제를 해결하는 데에도 기여했다.

3. 1. 모즐리의 법칙 발견

헨리 모즐리는 맨체스터에서 러더퍼드와 방사능을 연구하던 중 전자총을 사용하게 되었다. 원자에 전자총을 발사하면 원자핵과 강한 인력으로 묶여있던 전자가 충격을 받아 떨어져 나가는데, 이때 빈자리를 메꾸기 위해 다른 전자가 움직이면서 X선이 발생한다. 모즐리는 여기서 X선의 파장과 양성자의 수, 원자 번호 사이에 수학적인 관계를 발견했는데, 이를 모즐리 법칙이라고 한다.

모즐리 법칙은 음극선을 물질에 조사했을 때 나오는 X선의 진동수의 제곱근이 원자번호에 비례한다는 법칙이다. 모즐리는 이 X선 스펙트럼의 가장 세기가 큰 단파선인 K-알파선의 진동수 ν와 원자번호 Z사이에 다음의 관계가 있음을 알아냈다.

:

\sqrt{\nu} = a(Z-b)

여기서 a와 b는 X선 스펙트럼 각 계열의 특유한 상수이다. 이 관계는 각 원소의 원자번호와 특성 X선 파장 사이에 각계열(K계열, L계열, M계열)마다 일정한 규칙성이 나타난다.

이 법칙의 발견으로 원소의 화학적 성질을 결정하는 것은 원자량이 아닌 원자번호(양성자), 즉 원자핵의 전하임을 실증적으로 밝혀내어 원자물리학 발전에 결정적 기여를 하였다. 더욱이 이를 바탕으로 원소의 정확한 원자번호의 결정, 미측정 스펙트럼선의 파장 예측, 주기율표 중의 미발견 원소의 확인 등 중요한 성과를 거두었다.

1913년, 모즐리는 다양한 화학 원소(대부분 금속)의 X선 전자기 스펙트럼을 관측하고 측정했는데, 이는 결정을 통한 회절 방법으로 이루어졌다.^[14] 이는 X선 분광법을 물리학에 개척적으로 사용한 것으로, 브래그 회절 법칙을 이용하여 X선 파장을 결정했다. 모즐리는 생성된 X선의 파장과 X선관의 표적으로 사용된 금속의 원자 번호 사이에 체계적인 수학적 관계가 있음을 발견했는데, 이는 모즐리의 법칙으로 알려져 있다.

모즐리의 발견 이전에는 원소의 원자 번호(또는 원소 번호)가 원자 질량 순서를 기반으로 한 임의적인 순차적 번호로 여겨졌지만, 러시아 화학자 드미트리 멘델레예프처럼 화학자들이 필요하다고 생각하는 부분은 수정되었다. 멘델레예프는 주기율표를 발명하면서 몇몇 원소 쌍의 순서를 바꾸어 주기율표에서 더 적절한 위치에 배치했다. 예를 들어, 코발트와 니켈은 알려진 화학적 및 물리적 특성을 바탕으로 각각 원자 번호 27과 28을 할당받았는데, 이는 거의 동일한 원자 질량을 가지고 있음에도 불구하고 그렇다. 사실 코발트의 원자 질량은 니켈보다 약간 크기 때문에, 원자 질량에 따라 순수하게 배열한다면 니켈이 코발트보다 주기율표 앞에 위치하게 된다. 그러나 모즐리의 X선 분광법 실험은 이들의 물리학적 특성을 통해 코발트와 니켈이 각각 27과 28의 서로 다른 원자 번호를 가지고 있으며, 모즐리의 객관적인 원자 번호 측정에 의해 주기율표에 정확하게 배치되었음을 보여주었다. 따라서 모즐리의 발견은 원소의 원자 번호가 화학과 화학자들의 직관에 기반한 다소 임의적인 숫자가 아니라, X선 스펙트럼의 물리학적 특성에서 나온 확고한 실험적 근거를 가지고 있음을 보여주었다.

또한 모즐리는 원자 번호 43, 61, 72, 75에 빈칸이 있음을 보였다. 이 빈칸들은 각각 방사성 인공 원소인 테크네튬과 프로메튬, 그리고 매우 드문 자연 발생 안정 원소인 하프늄(1923년 발견)과 레늄(1925년 발견)의 위치로 알려져 있다. 모즐리의 생애에는 이 네 가지 원소에 대해 아무것도 알려지지 않았고, 그 존재 자체조차 알려지지 않았다. 드미트리 멘델레예프는 주기율표에서 빠진 원소의 존재를 예측했는데, 이는 나중에 테크네튬으로 밝혀졌고, 보후슬라프 브라우너는 주기율표에서 다른 빠진 원소의 존재를 예측했는데, 이는 나중에 프로메튬으로 밝혀졌다. 헨리 모즐리의 실험은 빠진 원자 번호가 43과 61임을 정확히 보여줌으로써 이러한 예측을 확인했다. 또한 모즐리는 원자 번호 72와 75를 가진 두 가지 더 발견되지 않은 원소의 존재를 예측했고, 알루미늄(원자 번호 13)과 금(원자 번호 79) 사이의 주기율표에 다른 빈칸이 없다는 매우 강력한 증거를 제시했다.

발견되지 않은("빠진") 원소가 더 있을 가능성에 대한 후자의 질문은, 특히 많은 수의 란타넘족 희토류 원소의 존재를 감안할 때, 전 세계 화학자들의 오랜 난제였다. 모즐리는 란타넘족 원소, 즉 란타넘부터 루테튬까지 정확히 15개의 원소가 있어야 함을 – 더 많거나 적을 수 없음을 – 증명할 수 있었다. 란타넘족 원소의 수는 20세기 초 화학자들이 해결하기에는 매우 어려운 문제였다. 그들은 심지어 염 형태로도 모든 희토류 원소의 순수한 시료를 얻을 수 없었고, 어떤 경우에는 주기율표에서 인접한 매우 유사한 두 가지 희토류 원소의 혼합물을 근처의 순수 금속과 구별할 수 없었다. 예를 들어, "디디뮴"이라는 화학적 이름이 붙여진 소위 "원소"가 있었다. "디디뮴"은 몇 년 후 두 가지 진짜 희토류 원소의 혼합물에 불과한 것으로 밝혀졌고, 이들은 "새로운 쌍둥이"와 "녹색 쌍둥이"를 의미하는 네오디뮴과 프라세오디뮴이라는 이름을 받았다. 또한 모즐리 시대에는 이온 교환 방법으로 희토류 원소를 분리하는 방법이 발명되지 않았다.

초기 X선 분광법에서 모즐리의 방법은 위의 화학적 문제들을 신속하게 해결할 수 있었는데, 이 중 일부는 수년 동안 화학자들을 괴롭혀 왔던 문제였다. 모즐리는 또한 존재가 이전에는 의심되지 않았던 란타넘족 원소인 원소 61의 존재를 예측했다. 꽤 오랜 세월이 지난 후, 이 원소 61은 원자로에서 인공적으로 생성되었고 프로메튬이라는 이름이 붙여졌다.^[15]^[16]^[17]^[18]^[19]

3. 2. 원자 번호 개념의 확립

모즐리 법칙은 음극선을 물질에 조사했을 때 나오는 X선의 진동수 제곱근이 원자번호에 비례한다는 법칙이다. 모즐리는 이 X선 스펙트럼의 가장 세기가 큰 단파선인 K-알파선의 진동수 ν와 원자번호 Z 사이에 다음과 같은 관계가 있음을 알아냈다.

:

\sqrt{\nu} = a(Z-b)

여기서 a와 b는 X선 스펙트럼 각 계열의 특유한 상수이다. 이 관계는 각 원소의 원자번호와 특성 X선 파장 사이에 각계열(K계열, L계열, M계열)마다 일정한 규칙성이 나타난다.

이 법칙의 발견으로 원소의 화학적 성질을 결정하는 것은 원자량이 아닌 원자 번호(양성자), 즉 원자핵의 전하임을 실증적으로 밝혀내어 원자물리학 발전에 결정적 기여를 하였다. 더욱이 이를 바탕으로 원소의 정확한 원자번호 결정, 미측정 스펙트럼선의 파장 예측, 주기율표 중의 미발견 원소 확인 등 중요한 성과를 거두었다.^[13]

1913년, 모즐리는 다양한 화학 원소(대부분 금속)의 X선 전자기 스펙트럼을 관측하고 측정했는데, 이는 결정을 통한 회절 방법으로 이루어졌다.^[14] 이는 X선 분광법을 물리학에 개척적으로 사용한 것으로, 브래그 회절 법칙을 이용하여 X선 파장을 결정했다. 모즐리는 생성된 X선의 파장과 X선관의 표적으로 사용된 금속의 원자 번호 사이에 체계적인 수학적 관계가 있음을 발견했는데, 이는 모즐리의 법칙으로 알려져 있다.

모즐리의 발견 이전에는 원소의 원자 번호(또는 원소 번호)가 원자 질량 순서를 기반으로 한 임의적인 순차적 번호로 여겨졌지만, 러시아 화학자 드미트리 멘델레예프처럼 화학자들이 필요하다고 생각하는 부분은 수정되었다. 멘델레예프는 주기율표를 발명하면서 몇몇 원소 쌍의 순서를 바꾸어 주기율표에서 더 적절한 위치에 배치했다. 예를 들어, 코발트와 니켈은 알려진 화학적 및 물리적 특성을 바탕으로 각각 원자 번호 27과 28을 할당받았는데, 이는 거의 동일한 원자 질량을 가지고 있음에도 불구하고 그렇다. 사실 코발트의 원자 질량은 니켈보다 약간 크기 때문에, 원자 질량에 따라 순수하게 배열한다면 니켈이 코발트보다 주기율표 앞에 위치하게 된다. 그러나 모즐리의 X선 분광법 실험은 이들의 물리학적 특성을 통해 코발트와 니켈이 각각 27과 28의 서로 다른 원자 번호를 가지고 있으며, 모즐리의 객관적인 원자 번호 측정에 의해 주기율표에 정확하게 배치되었음을 보여주었다. 따라서 모즐리의 발견은 원소의 원자 번호가 화학과 화학자들의 직관에 기반한 다소 임의적인 숫자가 아니라, X선 스펙트럼의 물리학적 특성에서 나온 확고한 실험적 근거를 가지고 있음을 보여주었다.

또한 모즐리는 원자 번호 43, 61, 72, 75에 빈칸이 있음을 보였다. 이 빈칸들은 각각 방사성 인공 원소인 테크네튬과 프로메튬, 그리고 매우 드문 자연 발생 안정 원소인 하프늄(1923년 발견)과 레늄(1925년 발견)의 위치로 알려져 있다. 모즐리의 생애에는 이 네 가지 원소에 대해 아무것도 알려지지 않았고, 그 존재 자체조차 알려지지 않았다. 드미트리 멘델레예프는 주기율표에서 빠진 원소의 존재를 예측했는데, 이는 나중에 테크네튬으로 밝혀졌고, 보후슬라프 브라우너는 주기율표에서 다른 빠진 원소의 존재를 예측했는데, 이는 나중에 프로메튬으로 밝혀졌다. 헨리 모즐리의 실험은 빠진 원자 번호가 43과 61임을 정확히 보여줌으로써 이러한 예측을 확인했다. 또한 모즐리는 원자 번호 72와 75를 가진 두 가지 더 발견되지 않은 원소의 존재를 예측했고, 알루미늄(원자 번호 13)과 금(원자 번호 79) 사이의 주기율표에 다른 빈칸이 없다는 매우 강력한 증거를 제시했다.

발견되지 않은 ("빠진") 원소가 더 있을 가능성에 대한 질문은, 특히 많은 수의 란타넘족 희토류 원소의 존재를 감안할 때, 전 세계 화학자들의 오랜 난제였다. 모즐리는 란타넘족 원소, 즉 란타넘부터 루테튬까지 정확히 15개의 원소가 있어야 함을 – 더 많거나 적을 수 없음을 – 증명할 수 있었다. 란타넘족 원소의 수는 20세기 초 화학자들이 해결하기에는 매우 어려운 문제였다. 그들은 심지어 염 형태로도 모든 희토류 원소의 순수한 시료를 얻을 수 없었고, 어떤 경우에는 주기율표에서 인접한 매우 유사한 두 가지 희토류 원소의 혼합물을 근처의 순수 금속과 구별할 수 없었다. 예를 들어, "디디뮴"이라는 화학적 이름이 붙여진 소위 "원소"가 있었다. "디디뮴"은 몇 년 후 두 가지 진짜 희토류 원소의 혼합물에 불과한 것으로 밝혀졌고, 이들은 "새로운 쌍둥이"와 "녹색 쌍둥이"를 의미하는 네오디뮴과 프라세오디뮴이라는 이름을 받았다. 또한 모즐리 시대에는 이온 교환 방법으로 희토류 원소를 분리하는 방법이 발명되지 않았다.

초기 X선 분광법에서 모즐리의 방법은 위의 화학적 문제들을 신속하게 해결할 수 있었는데, 이 중 일부는 수년 동안 화학자들을 괴롭혀 왔던 문제였다. 모즐리는 또한 존재가 이전에는 의심되지 않았던 란타넘족 원소인 원소 61의 존재를 예측했다. 꽤 오랜 세월이 지난 후, 이 원소 61은 원자로에서 인공적으로 생성되었고 프로메튬이라는 이름이 붙여졌다.^[15]^[16]^[17]^[18]^[19]

모즐리와 그의 법칙 이전에, 원자 번호는 원자량과 대략적으로 증가하는 임의적인 순서 번호로 여겨졌으며 엄밀하게 정의되지 않았다. 모즐리의 발견은 원자 번호가 임의로 할당된 것이 아니라 명확한 물리적 기반을 가지고 있음을 보여주었다. 모즐리는 각 원소는 바로 앞 원소보다 핵전하가 정확히 1만큼 크다는 것을 가정했다. 모즐리는 원자 번호의 개념을 이전의 임시적인 숫자 태그에서 주기율표를 정확하게 만드는 상승하는 원자 번호의 정확한 순서로 재정의했다. (이는 나중에 원자 연구에서 오프바우 원리의 기초가 되었다.) 보어가 언급했듯이, 모즐리의 법칙은 (1911년부터 새로운) 얼니스트 러더퍼드와 안토니우스 판 덴 브로크의 원자 개념, 즉 양으로 대전된 핵이 음으로 대전된 전자로 둘러싸여 있으며 원자 번호는 중앙 원자핵에 있는 양전하(나중에 양성자로 밝혀짐)의 정확한 물리적 개수로 이해되는 원자에 대한 상당히 완벽한 실험 데이터 세트를 제공했다. 모즐리는 그의 연구 논문에서 위의 두 과학자를 언급했지만, 당시에는 새로운 인물이었던 보어는 언급하지 않았다. 뤼드베리와 보어의 공식을 간단히 수정하면 모즐리가 경험적으로 유도한 원자 번호 결정 법칙에 대한 이론적 근거를 제공하는 것으로 밝혀졌다.

1913년, 특성 X선의 파장의 역수의 제곱근이 원자핵의 전하(원자 번호)와 직선 관계에 있다는 것을 발견했다(모즐리의 법칙). 이는 그때까지 주기율표가 원자량 순서로 배열되었지만, 동위원소의 존재 비율에 따라, 예를 들어 코발트와 니켈, 텔루르와 아이오딘에서는 원자량 순서로 결정되는 위치와 화학적 성질에서의 위치가 일치하지 않는 경우가 있었다. 원자핵의 양성자 수를 측정하는 것을 가능하게 하여, 원자 번호의 물리적 의미가 명확해졌다. 또한 원자 번호 43번과 61번에 공백이 있는 것을 보여주었는데, 이후 이것은 인공 원소인 테크네튬과 프로메튬으로 채워지게 된다.

3. 3. X선 분광학의 발전

헨리 모즐리는 맨체스터에서 어니스트 러더퍼드와 방사능을 연구하던 중 전자총에 관심을 가지게 되었다. 원자에 전자총을 발사하면 원자핵과 강하게 결합된 전자가 충격을 받아 떨어져 나가는데, 이때 다른 전자가 빈자리를 채우면서 X선이 발생한다. 모즐리는 여기서 X선의 파장과 양성자의 수, 즉 원자 번호 사이에 수학적인 관계를 발견했는데, 이를 모즐리의 법칙이라고 한다.

모즐리 법칙은 음극선을 물질에 쬐었을 때 나오는 X선 진동수의 제곱근이 원자 번호에 비례한다는 법칙이다. 모즐리는 X선 스펙트럼에서 가장 세기가 큰 단파선인 K-알파선의 진동수(ν)와 원자 번호(Z) 사이에 다음과 같은 관계가 있음을 알아냈다.

:

\sqrt{\nu} = a(Z-b)

여기서 a와 b는 X선 스펙트럼 각 계열(K, L, M 계열 등)에 고유한 상수이다. 이 관계는 각 원소의 원자 번호와 특성 X선 파장 사이에 규칙성이 나타남을 보여준다.

이 법칙을 통해 원소의 화학적 성질을 결정하는 것은 원자량이 아니라 원자 번호(양성자), 즉 원자핵의 전하임을 실험적으로 증명하여 원자물리학 발전에 크게 기여하였다. 또한, 이를 바탕으로 원소의 정확한 원자 번호를 결정하고, 미측정 스펙트럼선의 파장을 예측하고, 주기율표에서 미발견 원소를 확인하는 등 중요한 성과를 거두었다.

1913년, 모즐리는 다양한 화학 원소(주로 금속)의 X선 전자기 스펙트럼을 관측하고 측정했는데, 이는 결정을 통한 회절 방법으로 이루어졌다.^[14] X선 분광법을 물리학에 처음으로 사용하여, 브래그 회절 법칙으로 X선 파장을 결정했다. 모즐리는 생성된 X선의 파장과 X선관의 표적으로 사용된 금속의 원자 번호 사이에 체계적인 수학적 관계, 즉 모즐리의 법칙을 발견했다.

모즐리의 발견 이전에는 원자 번호가 원자 질량 순서를 기반으로 한 임의적인 번호로 여겨졌지만, 드미트리 멘델레예프는 주기율표를 만들면서 몇몇 원소 쌍의 순서를 바꾸어 주기율표에 더 적절하게 배치했다. 예를 들어, 코발트와 니켈은 알려진 화학적 및 물리적 특성을 바탕으로 각각 원자 번호 27과 28을 할당받았는데, 이는 거의 동일한 원자 질량을 가짐에도 불구하고 그렇다. 모즐리의 X선 분광법 실험은 코발트와 니켈이 각각 27과 28의 서로 다른 원자 번호를 가지고 있으며, 모즐리의 객관적인 원자 번호 측정에 의해 주기율표에 정확하게 배치되었음을 보여주었다.

또한 모즐리는 원자 번호 43, 61, 72, 75에 빈칸이 있음을 보였다. 이 빈칸들은 각각 방사성 인공 원소인 테크네튬과 프로메튬, 그리고 매우 드문 자연 발생 안정 원소인 하프늄(1923년 발견)과 레늄(1925년 발견)의 위치로 알려져 있다. 모즐리는 알루미늄(원자 번호 13)과 금(원자 번호 79) 사이에 다른 빈칸이 없다는 강력한 증거를 제시했다.

모즐리는 란타넘족 원소, 즉 란타넘부터 루테튬까지 정확히 15개의 원소가 있어야 함을 증명할 수 있었다. 이는 20세기 초 화학자들이 순수한 시료를 얻기 어려워 해결하기 힘들었던 문제였다. 예를 들어, "디디뮴"이라는 "원소"는 실제로는 네오디뮴과 프라세오디뮴이라는 두 가지 희토류 원소의 혼합물이었다. 모즐리 시대에는 이온 교환 방법으로 희토류 원소를 분리하는 방법이 발명되지 않았다.

초기 X선 분광법에서 모즐리의 방법은 이러한 화학적 문제들을 빠르게 해결할 수 있게 해주었다. 모즐리는 또한 존재가 이전에는 의심되지 않았던 란타넘족 원소인 원소 61의 존재를 예측했다. 이 원소 61은 나중에 원자로에서 인공적으로 생성되었고 프로메튬이라는 이름이 붙여졌다.^[15]^[16]^[17]^[18]^[19]

X선 분광기는 X선 결정학의 기초이다. 모즐리가 알고 있던 X선 분광기는 유리 전구 전자관을 사용했다. 진공관 내부에서 전자는 금속 물질에 발사되어 원소의 내부 전자껍질에서 전자의 이온화를 일으켰다. 내부 껍질의 구멍으로 전자가 되돌아가면 X선 광자가 방출되는데, 이는 외부 X선 차폐 장치의 개구부를 통해 반빔으로 관 밖으로 나왔다. 이것들은 표준화된 염 결정에 의해 회절된 후, X선 필름 노출을 통해 사진의 선으로 각도 결과가 읽혀졌다. 브래그의 법칙을 적용하여 방출된 X선의 파장을 계산할 수 있었다.

모즐리는 초기 X선 분광 장비의 설계 및 개발에 참여했으며,^[20]^[21] 윌리엄 헨리 브래그와 윌리엄 로렌스 브래그에게서 일부 기술을 배우고 스스로 다른 기술을 개발했다. X선 분광법의 많은 기술은 가시광선 분광기와 분광사진에 사용되는 방법에서 영감을 받았다.

4. 모즐리 주기율표

헨리 모즐리는 X선 스펙트럼을 이용한 실험을 바탕으로 주기율표를 완성하였다. 모즐리가 완성한 주기율표는 이전의 멘델레예프 주기율표와는 다르게 원자량을 기준으로 하지 않고, 원자 번호, 즉 양성자 수를 기준으로 원소를 배열했다는 특징이 있다.

모즐리는 43, 61, 72, 75번 원소를 발견하지 못했지만, 이후 과학자들이 이 원소들을 발견하였다. 43번 테크네튬과 61번 프로메튬은 인공 핵반응과 우라늄 핵분열 생성물에서 발견되었으며, 72번 하프늄은 닐스 보어 등의 제안에 따라 지르코늄 광석에서 발견되었다. 75번 레늄은 하프늄 발견 2년 후에 발견되었다.

4. 1. 멘델레예프 주기율표와의 차이점

멘델레예프와 모즐리 주기율표의 가장 큰 차이점은 원자 번호를 정렬하는 기준에 있다. 멘델레예프는 원자량을 기준으로 원자 번호를 정했지만, 모즐리는 이후에 원자의 양성자 수를 기준으로 원자 번호를 정립한다. 그 대표적인 예로 코발트와 니켈이 있다. 멘델레예프의 기준에 따르면 코발트의 원자량이 니켈의 원자량에 비해 약간 크기 때문에 니켈이 27번 원소가 되고 코발트가 28번 원소가 된다. 그렇지만 모즐리의 기준인 양성자 수에 따라 원자 번호를 정하면 코발트가 27번 원소가 되고 니켈이 28번 원소가 된다. 즉, 모즐리의 객관적인 원자 번호 측정법 덕분에 주기율표를 올바르게 정할 수 있었던 것이다.

4. 2. 모즐리 주기율표의 한계와 의의

모즐리는 X선 스펙트럼으로부터의 실험적 기반을 바탕으로 주기율표를 완성하였다. 그렇지만 모즐리는 43, 61, 72, 75번 원소를 발견하지 못했다. 그가 살아있을 동안은 그의 주기율표에서 빈 공간이 채워지지 못했지만, 그가 죽고 난 다음 많은 과학자들은 그에게 경의를 표하는 의미로 그가 찾아내지 못한 원소들을 찾는 데 온 힘을 다했다.^[1]

결국 네 원소 모두 발견되었는데, 원자번호 순으로 테크네튬(Tc), 프로메튬(Pm), 하프늄(Hf), 레늄(Re)이다. 43번 원소와 61번 원소는 인공 핵반응 생성물과 우라늄 핵분열 생성물에서 분리 및 발견되었는데, 이들은 방사성 원소로 자연계에서는 극미량 존재한다. 72번 원소의 경우 처음에는 희토류 원소의 하나일 것으로 짐작하고 희토류 광석에서 이를 찾고자 하였으나 성공하지 못하고 있었는데, 닐스 보어 등 몇 명의 과학자들이 72번 원소는 희토류 원소가 아니고 지르코늄과 비슷한 전이금속일 것으로 제안하였다. 이러한 제안에 힘입어, 보어의 조수였던 네덜란드 출신 물리학자 코스터(Dirk Coster, 1889~1950)와 헝가리 출신 화학자 헤베시(Georg Karl von Hevesy, 1889~1966)가 1923년에 지르코늄 광석인 노르웨이산 지르콘에서 X-선 스펙트럼 분석을 통해 마침내 72번 원소를 발견하였다. 그리고 75번 원소인 레늄은 하프늄을 발견한 지 2년 후에 마침내 발견되었다.^[1]

5. 사망과 영향

제1차 세계 대전에 참전한 헨리 모즐리는 1915년 갈리폴리 전투에서 터키군과 교전 중 전사했다.^[33] 그의 죽음 이후, 많은 과학자들은 그가 발견하지 못한 원소를 찾는 데 힘을 쏟았고, 그 결과 하프늄, 프로탁티늄, 테크네튬 등이 발견되었으며, 인공 원소를 통해 주기율표의 빈자리(85번과 87번 원소)가 채워졌다.

모즐리는 27세의 젊은 나이로 사망하여, 살아있었다면 원자 구조에 대한 지식에 더 많은 기여를 했을 것이라는 평가를 받는다. 닐스 보어는 어니스트 러더퍼드의 연구가 "전혀 심각하게 받아들여지지 않았다"고 말하며, "큰 변화는 모즐리로부터 왔다"고 평가했다.^[23] 로버트 밀리컨은 그의 죽음을 "역사상 가장 끔찍하고 돌이킬 수 없는 범죄 중 하나"라고 비판했다.^[24] 아이작 아시모프는 모즐리의 죽음을 "인류 전반에 있어 전쟁에서 가장 큰 손실"이라고 언급했다.^[4]

맨체스터와 이튼에는 모즐리 기념 명판이 설치되었고, 그의 유언에 따라 설립된 왕립 학회 장학금의 두 번째 수혜자는 P. M. S. 블래킷이었다.^[12] 물리학 연구소는 그의 업적을 기려 헨리 모즐리 메달과 상을 제정했다.^[26]

5. 1. 제1차 세계 대전 참전과 죽음

제1차 세계 대전이 발발하자 헨리 모즐리는 가족과 친구들의 만류에도 불구하고 영국 육군 공병대에 자원 입대했다.^[22] 그는 자신의 의무라고 생각했기 때문이다.^[22] 1914년 맨체스터 대학교 특별연구원 직을 사임하고 옥스퍼드 대학교에서 연구를 계속하려던 계획은 전쟁으로 인해 무산되었다.

모즐리는 1915년 갈리폴리 전투에 통신 담당 기술 장교로 참전했다.^[33] 갈리폴리 전투에서 터키군과 격전 중 1915년 8월 10일, 27세의 나이로 전사했다.^[33] 그는 현지에서 명령을 전화로 전달하던 중 저격수의 총에 머리를 맞고 사망했다.^[33]

옥스퍼드 클라렌든 연구소의 타운젠드 빌딩에 설치된 왕립 화학 학회의 청색 명판. 모즐리의 원소 방출 X선 연구를 기념한다.

모즐리의 죽음은 당시 과학계에 큰 충격을 주었다. 많은 과학자들은 그가 살아있었다면 원자 구조에 대한 지식에 더 많은 기여를 했을 것이라고 믿었다. 닐스 보어는 1962년에 어니스트 러더퍼드의 연구가 "전혀 심각하게 받아들여지지 않았다"고 말하며, "큰 변화는 모즐리로부터 왔다"고 회고했다.^[23] 로버트 밀리컨은 모즐리의 연구를 "과학 역사상 가장 훌륭한 개념, 숙련된 실행, 그리고 밝은 결과를 낸 12개의 연구 중 하나"라고 평가하며, 그의 죽음을 "역사상 가장 끔찍하고 돌이킬 수 없는 범죄 중 하나"라고 비판했다.^[24] 아이작 아시모프는 모즐리의 죽음을 "인류 전반에 있어 전쟁에서 가장 큰 손실"이라고 언급했다.^[4]

러더퍼드는 모즐리의 연구가 노벨상을 받았을 것이라고 믿었지만, 노벨상은 사후에 수여되지 않기 때문에^[3] 모즐리는 노벨상을 받지 못했다. 그의 죽음을 계기로 영국을 비롯한 여러 나라의 정부는 자국의 과학자들이 전투에 종사하는 것을 금지하게 되었다고 한다.

맨체스터와 이튼에는 모즐리 기념 명판이 설치되었으며, 그의 유언에 따라 설립된 왕립 학회 장학금의 두 번째 수혜자는 물리학자 P. M. S. 블래킷이었다.^[12] 또한, 물리학 연구소는 그의 업적을 기리기 위해 헨리 모즐리 메달과 상을 제정했다.^[26]

5. 2. 과학계의 애도와 평가

제1차 세계 대전 때 갈리폴리 전투에서 전사한 헨리 모즐리의 죽음은 과학계에 큰 충격을 주었다. 27세의 젊은 나이에 이미 원자 구조에 대한 이해에 큰 기여를 한 그의 잠재력은 높이 평가받고 있었다.

닐스 보어는 1962년에 어니스트 러더퍼드의 연구가 "전혀 심각하게 받아들여지지 않았다"고 말하며, "큰 변화는 모즐리로부터 왔다"고 평가했다.^[23] 로버트 밀리컨은 모즐리의 연구를 "과학 역사상 가장 훌륭한 개념, 숙련된 실행, 그리고 밝은 결과를 낸 12개의 연구 중 하나"라고 칭하며, 그의 죽음을 "역사상 가장 끔찍하고 돌이킬 수 없는 범죄 중 하나"라고 비판했다.^[24]

조르주 사르통은 "그의 명성은 이미 매우 확고한 기반 위에 세워져서 그의 기억은 영원히 녹색으로 남을 것이다"라며, "그의 생애가 아무리 길었다 해도, 그가 26세에 발표한 '모즐리 법칙' 때문에 주로 기억될 것이라는 것은 매우 확실하다"고 말했다.^[25] 아이작 아시모프는 "그가 이루었을 수도 있는 일을 고려해 볼 때… 그의 죽음은 인류 전반에 있어 전쟁에서 가장 큰 손실이 되었을 것이다"라고 평가했다.^[4]

러더퍼드는 모즐리의 연구가 노벨상을 받았을 것이라고 믿었지만, 노벨상은 사후에는 수여되지 않기 때문에 안타깝게도 그의 업적은 노벨상으로 이어지지 못했다.^[3]

모즐리의 업적을 기리기 위해 맨체스터와 이튼에는 기념 명판이 설치되었고, 그의 유언에 따라 왕립 학회 장학금이 설립되었다. 이 장학금의 두 번째 수혜자는 나중에 왕립 학회 회장이 된 물리학자 P. M. S. 블래킷이었다.^[12] 또한, 물리학 연구소에서는 그의 이름을 딴 헨리 모즐리 메달과 상을 제정하여 젊은 물리학자들을 격려하고 있다.^[26]

모즐리의 전사 사건은 과학계에 큰 영향을 미쳐, 이후 영국을 비롯한 여러 나라에서 유능한 과학자들이 전투에 참여하는 것을 금지하는 계기가 되었다.

참조

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_[2] 논문 Die Radioelemente, das periodische System und die Konstitution der Atome https://babel.hathit[...] 1913
_[3] ODNB Moseley, Henry Gwyn Jeffreys
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_[6] 논문 This Month in Physics History August 10, 1915: Henry G.J. Moseley Killed in Action http://www.aps.org/p[...] American Physical Society 2019-12-31
_[7] 논문 Amabel Sollas https://books.google[...] 1917
_[8] 웹사이트 Sollas, Amabel http://www.edochess.[...] 2019-12-31
_[9] 논문 The Work of H. G. J. Moseley
_[10] 간행물 Public Schools Year Book 1906
_[11] 서적 WWI REMEMBEREDMemories of and by Club Members https://oxfordandcam[...] Oxford and Cambridge Club 2019-12-13
_[12] 서적 H. G. J. Moseley: The Life and Letters of an English Physicist, 1887–1915 https://books.google[...] University of California Press
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_[14] 논문 The high-frequency spectra of the elements https://archive.org/[...] 1913
_[15] 논문 Rediscovery of the elements: The Rare Earths–The Last Member https://chemistry.un[...] 2019-12-30
_[16] 논문 Rediscovery of the elements: The Rare Earths–The Confusing Years http://www.chem.unt.[...] 2019-12-30
_[17] 서적 The discovery of the elements https://archive.org/[...] Journal of Chemical Education 1956
_[18] 논문 A Revised Periodic Table: With the Lanthanides Repositioned
_[19] 웹사이트 Promethium unbound https://stuartcantri[...] 2019-12-30
_[20] 서적 The Periodic Table: Its Story and Its Significance https://archive.org/[...] Oxford University Press
_[21] 논문 Master of Missing Elements https://www.american[...] 2019-12-31
_[22] 뉴스 An Ode to Henry Moseley http://www.huffingto[...] 2016-01-07
_[23] 웹사이트 Oral History Transcript: Niels Bohr - Session I https://www.aip.org/[...] American Institute of Physics 2023-10-11
_[24] 서적 The Quantum Physicists and an Introduction to Their Physics Oxford University Press 1970
_[25] 논문 Moseley [1887 – 1915] The Numbering of the Elements Harvard University Press 1927
_[26] 웹사이트 Henry Moseley Medal and Prize http://www.iop.org/a[...] Institute of Physics 2019-12-28
_[27] Kotobank 2022-08-06
_[28] Kotobank 2022-08-06
_[29] 논문 The Work of H. G. J. Moseley
_[30] 간행물 Public Schools Year Book 1906
_[31] 웹사이트 Brief biography, Henry Moseley X-Ray Imaging Facility http://www.materials[...] 2010-01-22
_[32] harvnb
_[33] 웹사이트 An Ode to Henry Moseley https://www.huffpost[...] Huffington Post 2016-01-07

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