物理群星
1913 原子与核物理

原子序数与莫塞莱定律

Atomic Number and Moseley's Law

元素特征 X 射线频率的平方根,随周期表里的座次一格一格等距上升——化学家排表用的序号,由此成了原子核上的电荷数。

当时的困境

门捷列夫 1869 年排周期表,依据是原子量:元素从轻到重排成一队,性质相似的落进同一列。可有几处,化学性质不肯服从这个次序。按今天国际原子量与同位素丰度委员会公布的标准原子量:

  • 碲 127.60,碘 126.90——碘更轻,却必须排在碲后面,才能和氯、溴同列;
  • 钴 58.93,镍 58.69——钴更重,化学家却一直把它放在镍前面;
  • 氩约 39.95,钾 39.10——1894 年发现的惰性气体氩更重,却只能排在碱金属钾之前。

化学家的办法是把这几对对调一下,再给每个座位编一个号。这个号码是否对应什么物理量,没有人说得清;它甚至不一定可靠——稀土元素性质太像,谁也说不准镧和钽之间到底该有几种。

1911 年,卢瑟福从 α 粒子的大角散射推出原子有核,估计核电荷大约是原子量的一半(以电子电荷为单位);巴克拉从 X 射线散射估计,原子里的电子数也大约是原子量的一半。这两个数都只准到两成左右,而原子量平均每种元素涨两个单位,「一半」和「座次」在粗略的数据里分不开。

荷兰的 van den Broek 最先把两件事连在一起。据 Cao 等人的记述,他是一位对科学有兴趣的业余研究者。他 1911 年 7 月给《自然》的信还以「原子量的一半」为准:铀的电子约 120 个,按他重构的门捷列夫「立方」周期系,从氢到铀也正好有 120 个位置,所以「每一种可能的永久电荷,都对应一种可能的元素」。1913 年初他在德国的《物理学杂志》上改了说法:把元素按原子量排好,每种元素在序列中的号数就等于它的原子内电荷。铀排在第 92 位,离原子量的一半差得很远,两种说法只能留一种。

同年 11 月,他再给《自然》写信,拿盖革与马斯登的散射数据重算:若核电荷正比于原子量,散射强度除以原子量平方应当是常数,实际却从铜的 3.825 一路漂到金的 3.25;换成序号的平方,就稳定在 18.7±0.318.7 \pm 0.3。他的结论是,核电荷不等于原子量的一半。

这时的「序号等于核电荷」仍是一个假说。玻尔 1913 年 9 月的第二篇论文已经用上它,写的是「除少数例外」,中性原子的电子数等于元素在序列中的位置,氧排第八,就有 8 个电子;12 月,卢瑟福在《自然》上说这个设想「在我看来很有希望」。它缺的是一种能逐个元素直接读出这个整数的测量。

洞见时刻

曼彻斯特的莫塞莱手里正好有这样一件工具。他用一块亚铁氰化钾晶体按布拉格条件分光,照相底片记录谱线,一辆小车载着一列靶子在 X 射线管里拖动换靶。每种元素受阴极射线轰击,都会发出一组自己的特征 X 射线,最强的一条叫 α 线。

1913 年 12 月的第一篇论文里,他把 α 线频率 ν\nu 与里德伯频率 ν0\nu_0 相比,定义

Q=ν34ν0Q = \sqrt{\frac{\nu}{\frac{3}{4}\nu_0}}

从钙到锌,QQ 每换一种元素正好加 1。钴 26.00,镍 27.04——钴在前,站在化学家一边。他写道,原子量的变化「看上去很随意」,次序上出个例外并不奇怪:

我们在这里得到了一个证明:原子里有一个基本的量,从一种元素到下一种,按整齐的台阶递增。这个量只能是中心那个带正电的核上的电荷。

他的推理用的正是卢瑟福和巴克拉那两个「一半」:原子量平均每次涨 2,这个量每次涨 1,所以核电荷每次恰好多一个单位,等于元素在周期表里的座次。他把这个座次叫作原子数(atomic number,今译原子序数):氢 1,氦 2,钙 20,锌 30,并注明这一理论「由 van den Broek 首创,玻尔随后采用」。他还预言:原子量次序与化学次序相冲突的地方,化学性质由这个数决定,原子量「大概是它的一个复杂函数」。

把实验结果写成公式,就是后来所说的莫塞莱定律:

ν=A (N−b)\sqrt{\nu} = \sqrt{A}\,(N-b)

对 K 系 α 线,A=(112−122)ν0A = \left(\frac{1}{1^2}-\frac{1}{2^2}\right)\nu_0,b≈1b \approx 1。

1914 年 4 月的第二篇论文把范围推到从铝到金,又测了三十多种元素。K 系满足 Q≈N−1Q \approx N-1,只在最短的波长处逐渐偏离;L 系满足 Q≈N−7.4Q \approx N-7.4,线性没那么严格。他把元素一格一格排好:次序一律按原子量,只有氩、钴、碲三处改按化学性质;另外留出三行空白——钼与钌之间、钕与钐之间、钨与锇之间。他强调,这一步「只凭 X 射线谱的证据,不借助任何原子结构理论」就能得出:号码排错一格,或空位留多留少一个,图上的规律都会立刻消失。于是:

由于两种不同的稳定元素不大可能有同一个整数,铝与金之间很可能还有三种、而且只有三种元素存在。

这三个空位是 43、61、75 号。今天常见的说法是「四个」:1914 年论文按 Welsbach 的分离结果把铥算成两种元素、占了两格,72 号因此被占掉了。据 Trimble 与 Mainz 转引 Heilbron 所编的书信集,莫塞莱后来在给卢瑟福和赫维西的信里更正了这一点,空位变为 43、61、72、75。以 1914 年发表的原文为准,是「三个」。

同一篇论文结论说,这些实验给 van den Broek 的假说提供了「最有力的支持」;索迪此前已从放射性元素的化学性质说明它在铊到铀之间成立,现在它的普遍性「看来可以确立了」。

与玻尔模型的对账。 系数里的 34\frac{3}{4} 恰是玻尔公式中电子从第 2 定态落到第 1 定态的因子,L 系 α 线的系数则近似为 122−132\frac{1}{2^2}-\frac{1}{3^2}。X 射线的波长比氢的可见光谱短约两千倍,系数照样对得上;式中是 N−1N-1 而不是 NN,今天通常解释为同层另一个电子挡掉了大约一个单位的核电荷。莫塞莱本人对跃迁机制留有保留,认为他当时设想的整圈电子一起跃迁在能量上有严重困难。这一面在玻尔原子模型的发现页里另有叙述。

涟漪效应

一个整数被直接量出来。 查德威克 1920 年回头审视这件事,指出莫塞莱测得的「逐格加一的特征数」是纯经验的,但把它等同于核电荷,要靠常数 bb 的选取和一套 X 射线起源的理论,「莫塞莱的结论并没有实验证明」。他于是在卢瑟福的实验室里用 α 散射直接测核电荷:铂 77.4、银 46.3、铜 29.3,三者的原子序数是 78、47、29。

空位一个个填上。 每个空位的 X 射线谱都可以预先算出来,找新元素有了一张核对单:

  • 72 号(铪),1923 年,Coster 与赫维西在哥本哈根从锆矿里认出了它的 X 射线谱线。玻尔此前据电子壳层理论判断它应属锆族,不是稀土。
  • 75 号(铼),1925 年,柏林的 Noddack、Tacke 与 Berg 同样靠 X 射线谱宣布。
  • 43 号(锝),1937 年,Perrier 与 Segrè 在巴勒莫分析一块经伯克利回旋加速器轰击过的钼片,认出了它的放射性同位素——第一种人工制得的元素。
  • 61 号(钷),Marinsky、Glendenin 与 Coryell 在美国克林顿实验室的铀裂变产物里分离鉴定;通行的记述把发现定在 1945 年,因战时保密,论文到 1947 年才发表。

43 号有一段悬案。Noddack 等人 1925 年宣布铼的同一篇论文里,也宣布在矿物中找到了 43 号,命名为 masurium;这一结果当时没能被别人重复,通行的元素史把它记作错误的发现。Van Assche 1988 年重新分析他们的 X 射线数据,认为他们在含铀的矿物里可能确实看到了微量的天然 43 号,1999 年又与 Armstrong 联名重审那次 X 射线分析;Herrmann 1989 年撰文重新检视了这些论证,结论是不足以据此改写 43 号的发现史。两方的文献都列在页末。

「原子序数 = 质子数」要等到 1932 年。 莫塞莱确立的是:原子序数等于核的净正电荷。至于核由什么组成,当时的主流看法是原子量那么多个质子,外加一些电子把多余的正电荷抵掉——例如氮核是 14 个质子加 7 个电子,净电荷 +7。查德威克 1932 年发现中子之后,氮核改写为 7 个质子加 7 个中子,原子序数才有了今天教科书里的完整含义:核内质子的数目,也等于中性原子的电子数。原子量则取决于质子与中子的总数,同一元素可以有中子数不同的几种同位素,天然原子量是它们按丰度的平均。氩、钴、碲三处「反常」由此得到解释:原子量排序看的是同位素混合物的平均质量,不是元素的身份。

如果没有它

周期表今天按原子序数排列。没有莫塞莱,这张表依旧可以用,但它的座次要靠化学家的判断来维持,稀土一带该有几种元素、还缺几种,只能争论而无从裁决。

元素分析。 地质勘探用的手持 X 射线荧光分析仪、钢厂的在线成分检测、文物与画作的无损鉴定,都是让样品发出特征 X 射线,再按谱线的能量认出元素——每种元素的谱线位置,正由原子序数按莫塞莱定律排定。

化学与原子物理在同一个数上会合。 元素的化学性质由核外电子的排布决定,电子数等于核电荷数;这条线把门捷列夫的经验表格和量子力学的壳层结构接在一起。

新元素的身份证。 今天合成一种超重元素,要证明的首先就是它的原子序数:一个新的整数,对应一种新元素。这套判据的起点,是 1913 年那张一格一格排开的 X 射线底片。

出处

正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。

  1. 1.莫塞莱《元素的高频光谱》,《哲学杂志》第 26 卷第 1024 页(1913)——Q 逐格加一、钴镍次序、原子序数即核电荷、与玻尔理论的比较
  2. 2.莫塞莱《元素的高频光谱(第二部分)》,《哲学杂志》第 27 卷第 703 页(1914)——从铝到金、三处调序、「三种、而且只有三种」
  3. 3.van den Broek《可能元素的数目与门捷列夫的「立方」周期系》,《自然》第 87 卷第 78 页(1911)
  4. 4.van den Broek,《物理学杂志》(Physikalische Zeitschrift)第 14 卷第 32 页(1913)——序号等于核电荷;本页未查阅原文,内容据作者本人 1913 年 11 月致《自然》信中的转述及莫塞莱、玻尔的引用
  5. 5.van den Broek《原子内电荷》,《自然》第 92 卷第 372 页(1913)——重算盖革与马斯登的散射数据;刊出时署名误排为 van der Broek
  6. 6.van den Broek《原子内电荷与原子结构》,《自然》第 92 卷第 476 页(1913)
  7. 7.卢瑟福《α 与 β 粒子被物质散射及原子的结构》,《哲学杂志》第 21 卷第 669 页(1911)——核电荷约为原子量的一半
  8. 8.卢瑟福《原子的结构》,《自然》第 92 卷第 423 页(1913)——称 van den Broek 的设想「很有希望」
  9. 9.玻尔《论原子与分子的构成(第二部分)》,《哲学杂志》第 26 卷第 476 页(1913)——电子数等于元素在序列中的位置
  10. 10.查德威克《原子核上的电荷与力的规律》,《哲学杂志》第 40 卷第 734 页(1920)——用 α 散射直接测铂、银、铜的核电荷
  11. 11.Coster 与 Hevesy《论原子序数为 72 的缺失元素》,《自然》第 111 卷第 79 页(1923)
  12. 12.Noddack、Tacke 与 Berg《类锰元素》,《自然科学》第 13 卷第 567–574 页(1925)——75 号与 43 号
  13. 13.Perrier 与 Segrè《43 号元素的放射性同位素》,《自然》第 140 卷第 193 页(1937)
  14. 14.Perrier 与 Segrè《43 号元素的若干化学性质》,《化学物理杂志》第 5 卷第 712 页(1937)
  15. 15.Van Assche《被忽视的 Z = 43 元素的发现》,《核物理 A》第 480 卷第 205 页(1988)
  16. 16.Armstrong 与 Van Assche《有争议的 43 号元素的发现:重审一次早期的波长色散 X 射线分析》,《显微学与微区分析》第 5 卷第 84 页(1999)
  17. 17.Herrmann《锝还是 masurium——关于 43 号元素历史的评论》,《核物理 A》第 505 卷第 352 页(1989)
  18. 18.Marinsky、Glendenin 与 Coryell《钕与 61 号元素放射性同位素的化学鉴定》,《美国化学会志》第 69 卷第 2781 页(1947)
  19. 19.Marinsky《寻找 61 号元素》,收入《稀土元素史话》第 91–107 页(1996)——发现者本人的回忆;本页未查阅全文
  20. 20.国际原子量与同位素丰度委员会(CIAAW)《标准原子量》
  21. 21.Cao、Vernon、Schwarz 与 Li《理解周期表中的周期与非周期化学》,《化学前沿》第 8 卷第 813 页(2021)——称 van den Broek 为业余研究者
  22. 22.Virginia Trimble 与 Vera V. Mainz《谁得了莫塞莱的奖?》,收入《追授的诺贝尔化学奖》第 1 卷,ACS Symposium Series 第 1262 卷第 51–90 页(2017)——莫塞莱后来把空位更正为四个;转引 Heilbron 所编书信集