元素理論開創者 ——亨利·莫塞萊

從牛津到曼徹斯特

談到對人類科學有著巨大貢獻的化學元素周期表，很多人會想到門捷列夫，卻忽略了另一位傑出的科學家——亨利·莫塞萊。實際上，我們今天所看到的元素周期表，就是依據莫塞萊提出的莫塞萊定律來排序的。讓人感到惋惜的是，莫塞萊英年早逝，27歲時死在第一次世界大戰的戰場上，或許這也是他不怎麼被人們熟知的原因吧。

1887年，亨利·莫塞萊生於英國多塞特郡的一個科學世家，他的父親是牛津大學的生物學家，祖父和外祖父都是英國皇家學會的會員。良好的家庭熏陶，讓莫塞萊很小就對自然科學產生濃厚的興趣，而且，莫塞萊既聰明又努力，所以在求學階段成績一直很好，是學校里的明星學生。不過，年輕的莫塞萊並不打運算元承父業，他希望將來研究物理學而不是生物學。就讀於英國最好的兩所學校——伊頓公學和牛津大學之後，已經大學畢業的莫塞萊於1910年來到曼徹斯特大學，在英國著名物理學家歐內斯特·盧瑟福的指導下從事物理學研究。

用放射性元素髮電

莫塞萊投入盧瑟福門下的時候，正趕上盧瑟福研究生涯的巔峰階段。兩年前（1908年），盧瑟福因為「對元素蛻變以及放射化學的研究」而獲得諾貝爾化學獎。一年前（1909年），他又做出了著名的α粒子散射實驗，初步證明了原子的核式結構——原子的全部正電荷和幾乎全部質量都集中在一個很小的原子核里。跟著這樣一位以研究化學射線而聞名的原子物理學家，莫塞萊自然而然地迅速掌握了高真空、帶電粒子（比如α粒子）輻射和高能射線（比如γ射線）放射方面的實驗技術。

在熟悉了盧瑟福的研究領域之後，莫塞萊開始按照自己的想法做一些獨立的研究。

1912年，莫塞萊在測試β粒子（一種高速的電子）能量的實驗中發現，當放射性元素鐳放射出β粒子時，鐳元素會帶上正電。如果對鐳做絕緣隔離，隨著β粒子不停地射出，那麼鐳將漸漸積累出極多的正電荷，產生高電勢。利用這個原理，莫塞萊做出了世界上第一個利用放射性元素的衰變現象來發電的鐳原子電池。

最重要的發現——莫塞萊定律

1913年，德國物理學家馮·勞厄發現「勞厄斑」（用X射線照射晶體，會得到分散的X射線的衍射斑點）的消息傳到了英國，英國物理學家布拉格父子(亨利·布拉格和勞倫斯·布拉格，兩人一起於1915年獲得諾貝爾物理學獎)在勞厄的發現基礎上，不僅成功地測定了氯化鈉、氯化鉀等晶體的結構，還提出了研究晶體衍射現象的著名公式──布拉格方程：2dsinθ=nλ。

這時，一直在研究高能β粒子的莫塞萊意識到，新興起的X射線領域將會有廣闊的研究前景，他轉而主動投入到X射線標識光譜的研究當中。X射線標識光譜的概念是英國物理學家查爾斯·巴克拉於1911年提出的，即元素受到入射的X射線激發時，會發射出帶有特定波長的特徵性譜線，這就是元素的X射線標識光譜。

在曼徹斯特，莫塞萊使用亨利·布拉格設計的X射線光譜儀，對鈣、鈧、鈦、釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅這10種周期表上相鄰的化學元素進行了系統性分析。通過實驗，莫斯里證明了巴克拉的設想是正確的——元素的特徵譜線隨著元素原子量的增大而均勻地減小，確實帶有「標識性」。但莫塞萊並沒有淺嘗輒止，他將這些元素的X射線標識光譜排列在一起加以分析，並做了大量的定量計算，結果有了驚人的發現。

1914年，莫塞萊將自己的發現發表在題為「各種元素的高頻光譜」的論文中。他指出，元素特徵譜線的頻率與原子序數的平方存在精確的數學關係——這種數學關係就是「莫塞萊定律」。隨後，莫塞萊又用理論證實，元素的原子序數與原子核內的正電荷數相等，它是一種可以代表元素物理和化學性質的標誌性數字。

重新理解化學周期表

莫塞萊定律的發現引發了化學元素周期表的一項重大改進。

1869年，門捷列夫將第一張元素周期表製作出來後，科學界普遍認為化學元素的序數由原子量所決定。但有時候，元素在周期表中按照原子量預測的位置與它按照物理、化學性質預測的位置並不匹配，比如金屬鈷和金屬鎳。如果按照原子量來排序，那麼鈷更重，應該排在鎳之後，但這與它們的物理和化學性質不符，所以門捷列夫仍然主觀地將鈷排在了第27位，將鎳排在了第28位。

然而，如果按照莫塞萊定律，根據元素特徵譜線的頻率得出原子序數，那麼就可以很自然地將鈷排在鎳的前面。由此，莫塞萊以令人信服的方式證明，化學元素的原子序數並非由原子量決定，更非門捷列夫主觀推測的那樣，而是依據科學實驗的客觀結果所獲得的。另外，通過更多的實驗和計算，莫塞萊預測了元素周期表中有若干暫未被發現的空缺位置，比如43、61、72和75。在莫塞萊的時代，這四種序數的元素都不為世人所知，但如今它們均被發現，分別是兩種人工放射性元素鍀、鉕，以及兩種稀有元素鉿、錸。

英年早逝的物理學家

1914年，年僅26歲的莫塞萊就已經在科學領域取得了如此傑出的成就。他的導師盧瑟福和亨利·布拉格向牛津大學建議，任命莫塞萊擔任物理系主任這一重要職位。但莫塞萊有自己的想法。此時，第一次世界大戰剛剛爆發，愛國熱情高漲的莫塞萊應徵入伍，成為一名工程兵。

1915年6月，莫塞萊隨英軍開赴土耳其前線，兩個月後在戰場上陣亡。這一消息震動了英國物理學界，英國政府隨即修訂政策，禁止本國最傑出的科學家參與戰鬥任務。但無論如何，莫塞萊的生命是無法挽回了。若以莫塞萊以如此年輕的年紀所建立的成就而論，他的陣亡算得上是人類戰爭史上最令人惋惜的一場損失了——畢竟，他揭示了化學元素的本性，他本可以像馬克思·普朗克和愛因斯坦一樣偉大。

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