化学の未来を守るために周期表はどのようにして戦争を生き延びたのか

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ハフニウムは、元素が発見されたコペンハーゲンのラテン語名 (ハフニア) にちなんで名付けられた遷移金属です。クレジット: Klaudia Kilman/Alamy

ハフニウムは特に注目すべき元素ではありません。それは爆発するナトリウム、きらめく水銀、悪臭を放つ硫黄ではありません。これは灰色がかった金属で、原子力発電所や原子力潜水艦の制御棒の中性子吸収体として、またコンピューターチップの絶縁体として一般的に使用されています。しかし、1世紀前の今週『Nature』誌に報告されたハフニウムの発見は、不釣り合いな重要性を持っていた。この元素は、コペンハーゲンで研究している2人の科学者、オランダの物理学者ダーク・コスターとハンガリーの化学者ゲオルク・フォン・ヘヴェシーによって特定された。この発見は周期表の遺産だけでなく、化学の未来も確保しました。ハフニウムはまた、証拠に基づく発見を弱体化させようとする者たちに対して、苦労して勝ち取った勝利を象徴するようになった。

1869 年に作成されたドミトリメンデレーエフの元素周期表は、酸素や水素などの化学元素が特定の関係を共有しているという認識から生まれました。メンデレーエフの貢献と、独立して研究したドイツの化学者ジュリアス・ローター・マイヤーの貢献は、元素の順序と、それらを適切なグループに分類するための基準を提供しました。注目すべきことに、メンデレーエフとローター・マイヤーの両方のスキームは、電子と陽子の発見の数十年前に、元素の亜原子構造に基づいていました。

メンデレーエフが周期表の大まかな形式を考案したとき、彼は 63 の既知の元素から始めました。テーブルを機能させるには、まだ発見されていない要素が配置される可能性がある隙間を残す必要がありました。これらの要素はすぐに明らかになり始めました。たとえば、予測された「元素 68」であるガリウムは、数年後の 1875 年に特定されました。1914 年までに、残っているギャップはわずか 7 つでした。

1913 年に英国の物理学者ヘンリーモーズリーが元素を原子番号、つまり陽子の数によって配置できることを示したとき、画期的な進歩が起こりました。モーズリーの研究は、より正確な「ギャップマップ」と、候補元素を X 線に曝露することによって生成されるスペクトルから元素を識別する方法の両方を提供しました。

周期表の最新の追加をめぐる戦い

しかし、元素 72 であるハフニウムの発見 (および命名) は決して簡単なものではありませんでした。フランスの化学者ジョルジュ・ユルバンは、1911 年に元素 72 が周期表の希土類元素に属することを最初に提案し、それをセルチウムと名付けました。しかし約10年後、量子論を利用して電子が原子核を周回する原子のモデルを開発したデンマークの物理学者ニールス・ボーアは、元素72は遷移金属の一つであり、ジルコニウム（元素40）に近いものになると予測した。これは、コペンハーゲンのボーア研究所で働いているコスターとフォン・ヘヴェシーによって最終的に確認され、ジルコニウム鉱物から元素を探しました2。二人は、発見したコペンハーゲンのラテン名にちなんでハフニウムと名付けました。彼らは 1922 年 12 月に X 線スペクトルを取得し、1923 年 1 月に論文 1 を発表しました。

しかし、これは論争の終わりには程遠い。なぜなら、アーバインは、自分がセルチウムと呼んだ物質が元素72の基準に適合していないという警告を受けていたにもかかわらず、頑固に諦めなかったからだ。1914年、モーズリーとアーバインは協力していた。アーベイン氏は、セルチウムが元素 72 であることを示せなかった未発表の X 線研究について説明した。X 線法の感度が単純に十分ではなかったと述べて 3、ニュージーランド生まれの物理学者アーネスト・ラザフォード氏はこの評価を『Nature』誌に書いた。、4に同意しました。アーバイン氏はまた、コペンハーゲンのチームが彼の仕事を自分の手柄にしようとしていると示唆した5。その返答の中で、コスターとフォン・ヘヴェシーは論争を個人的なものにすることを拒否し、その結果に基づいて議論した6。

オランダ、ドイツ、スカンジナビアの科学者がコペンハーゲンチームの側につき、議論は続いたが、フランスとイギリス（第一次世界大戦後のドイツ科学ボイコットを支持していた）は反対の立場をとった。。ハフニウムが国際純粋応用化学連合に受け入れられたのは、ボイコットが正式に終了してから数年後の 1930 年になってからでした。フランスでは、セルチウムは 1940 年代初頭まで希土類元素の中で元素 72 の位置を占め続けました2。