图:佚名摄,1915 年以前,经《自然》刊出(公有领域,维基共享资源)
亨利·莫塞莱
Henry Moseley1887–1915 · 生于英国英格兰多塞特郡韦茅斯 · 英国
用两年时间、几十张 X 射线底片给每种元素编了号——原子序数从化学家排表用的座次,变成了原子核里实打实的电荷数
「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。」
—— 莫塞莱《元素的高频光谱》,《哲学杂志》1913 年 12 月(本站据英文原文翻译)
1913 年以前,「原子序数」只是一个座次:化学家把元素按原子量从轻到重排成一队,性质对不上时就把两种元素对调一下,再给每个座位编个号。这个号码背后有没有物理,没人说得清。
亨利·莫塞莱把几十种元素逐一装进 X 射线管,拍下它们各自发出的特征谱线,发现频率的平方根随元素的座次一格一格等距地往上走。座次从此有了实体:它就是原子核上带几个单位的正电荷。做完这件事,他 26 岁;一年多以后,他死在加里波利。
一个动物学家的儿子
他 1887 年生于英格兰南岸的韦茅斯。父亲 H. N. 莫塞莱是牛津大学的解剖与生理学教授,年轻时随「挑战者号」做过环球海洋考察,在莫塞莱四岁那年去世。
他从伊顿公学以奖学金生身份入学,1906 年进入牛津大学三一学院。据卢瑟福在讣告里回忆,莫塞莱毕业前一年就已拿定主意要做物理研究,专程跑到曼彻斯特来找他谈。1910 年一毕业,他就去了曼彻斯特,在卢瑟福的系里当讲师兼演示员。
曼彻斯特:从 β 粒子到晶体
最初两年他做的是放射性:测镭 B、镭 C 每次衰变放出多少个 β 粒子;把一小点镭封在高真空里,让它靠自己放出的 β 粒子把自己充到十万伏以上;又与法扬斯一起测出锕系里一个新产物的寿命,半数在五百分之一秒内衰变掉。两年后他辞去讲师职务,拿一份研究奖学金专心做实验。
1912 年,劳厄发现晶体能让 X 射线发生衍射,消息让曼彻斯特的人坐不住了。莫塞莱拉上 C. G. 达尔文(博物学家查尔斯·达尔文的孙子),测晶体在不同角度上散射出多少 X 射线、是什么性质。几乎同时,利兹的 W. H. 布拉格在反射里看到了对应于特定谱线的尖峰。卢瑟福在讣告里写道,莫塞莱与达尔文证实并扩展了这个结果,第一次准确画出了铂靶 X 射线管的特征谱。
这是 X 射线谱学的起点。下一步是把它变成一件能对准任何元素的工具。
一张照相底片上的阶梯
莫塞莱改用照相底片代替布拉格的电离室。X 射线管里装一列小靶,架在一辆小车上,用磁铁或丝线拖着换靶,不必每次拆管。射线穿过一道细缝,打到一块亚铁氰化钾晶体上,按布拉格条件反射到底片上:
每张底片大多只曝光五分钟。1913 年 12 月的第一篇论文里,他拍了十二种元素:从钙到锌的十种连成一串,只缺一个钪,另外加上钽和铂。每种元素的谱都是一强一弱两条线,强的叫 α,弱的叫 β,一种比一种往短波方向挪一点。
他把 α 线的频率 除以里德伯频率 ,再开平方,得到一个量 。 从一种元素到下一种,每次正好增加 1。
钴和镍是一个例外,但不是规律的例外。按原子量,钴比镍略重,应当排在镍后面;化学家却一直按性质把钴排在前面。 站在化学家一边:钴 26.00,镍 27.04。莫塞莱在论文里写:原子量的变化「看上去很随意」,所以原子量的次序出个例外并不奇怪;真正整齐递增的,是另一样东西。
原子序数就是核电荷
那样东西是什么?论文给的回答是:
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。
卢瑟福 1911 年从 α 粒子散射估计过,核电荷大约是原子量的一半;巴克拉从 X 射线散射估计过,原子里的电子数也大约是原子量的一半。原子量平均每次涨两个单位,莫塞莱的 每次涨一个——他据此认为核电荷每次恰好多一个单位,也就是说,核电荷数等于元素在周期表里的座次。他把这个座次称为原子序数,并注明:这个想法最早由荷兰人 van den Broek 提出,玻尔也用过。
化学性质由原子序数决定,原子量只是它的一个复杂函数——这是他据此下的判断。
和玻尔的一次对账
同一年,玻尔刚在《哲学杂志》上发表原子模型的第一部分。莫塞莱把自己的数据直接拿去和它比。
实验给出的是
而玻尔的理论里,电子从第 2 定态落到第 1 定态,频率正比于 ,前面的常数又恰好是玻尔用来解释氢光谱的那一个。X 射线的波长比氢的可见光短两千倍左右,系数却对得上,莫塞莱在论文里称之为「值得注意」。
他没有把话说满。他当时设想的是一整圈电子一起跃迁,论文紧接着指出这在能量上有「严重的困难」,也解释不了那条较弱的 β 线,「理论大概需要修改」。不过他从数据里读出了一件更一般的事:各种元素的电子角动量相同——这正是玻尔理论的基础。对刚问世的玻尔模型来说,这是一次来自完全不同波段的检验。
从铝到金:只剩三个空位
1913 年底莫塞莱迁回牛津,在汤森德的电学实验室里借地方继续做。长波段的射线连铝窗和几厘米空气都穿不过,他专门造了一个能抽真空的分光计,窗口用金箔匠用的肠衣膜;稀土氧化物抹在粗糙的镍板上当靶,其中几种是克鲁克斯送的。
1914 年 4 月的第二篇论文在第一篇之外又测了三十多种元素,范围拉到从铝到金。K 系一律满足 ,L 系满足 。他在图上把元素一格一格排好,只有三处与原子量次序不符:氩与钾、钴与镍、碲与碘,每一处都是化学性质说对了、原子量说错了。
图上还留了三行空白:钼与钌之间(43 号)、钕与钐之间(61 号)、钨与锇之间(75 号)。论文结论说,铝与金之间的已知元素占满了其余所有的号码,「还有三种、而且只有三种」元素有待发现,它们的 X 射线谱可以预先算出来,「应该不难找到」。
今天通行的说法常常是他预言了四个空位:43、61、72、75。这与 1914 年论文的原文有出入。原文按 Welsbach 当时的分离结果,把铥当成两种元素、占了两格。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,空位于是变成 43、61、72、75 四个。本页两种说法并列,以原文为准的是「三个」。
1914 年,巴黎的稀土化学家于尔班带着自己多年分离出来的样品到牛津,请莫塞莱用 X 射线鉴定。卢瑟福在讣告里记下了这次来访,并说结果没有发表。据 Trimble 与 Mainz 的叙述,于尔班认为含有新元素「celtium」的那份样品,在莫塞莱的底片上只显出已知稀土的谱线。
1915 年 8 月 10 日
1914 年夏天,他随英国科学促进会去澳大利亚开会,在墨尔本参加「原子结构」的讨论,在悉尼讲稀土的 X 射线谱。战争爆发,他放下实验回国参军,得到皇家工兵的军官委任。
卢瑟福的讣告这样记下后来的事:他被派作第 38 旅的信号官,1915 年 6 月 13 日开赴达达尼尔;8 月 6 日与 8 日在新登陆的激战中都在场;10 日,土耳其军队从侧翼只隔两百码攻来,他正在打电话向师部传令,一颗子弹穿过头部,当场身亡。他 27 岁。
他的死改变了什么
卢瑟福的讣告以一段对军方的批评收尾:
这是一场国家的悲剧:我们的军事组织在战争之初如此僵硬,除了少数例外,竟只能把科学家主动提供的服务用在火线上当战斗兵。
此后流传很广的一种说法是,莫塞莱之死直接促使英国改变政策,不再把有前途的科学家派上前线。2015 年《自然》上 Min-Liang Wong 的通信标题就是「物理学家之死改变了战时政策」;科学史研究所 2020 年的文章写得更肯定:卢瑟福等人向陆军部请愿成功,「再也没有一位有前途的科学家被有意派去打仗」。
也有作者措辞谨慎。Trimble 与 Mainz 2017 年的论文只写「有人声称」他的死几乎立即影响了英国关于科学家战时服役的政策,没有替这一说法背书。本页没有查到当时具体的政令或陆军部文件,这一因果关系究竟到什么程度,留给读者判断。
诺贝尔奖:一个只能假设的问题
诺贝尔奖不颁给已故者。据诺贝尔奖官网的说明,1974 年以前的规则是:当年 2 月 1 日以前已获提名、之后才去世的人仍可获奖。所以 1915 年是唯一可能的一年:诺贝尔奖提名档案显示,这一年阿伦尼乌斯把莫塞莱、W. H. 布拉格与 C. G. 达尔文三人一并提名了物理学奖,也提名了化学奖。评选尚未结束,莫塞莱已经阵亡。那年 11 月,物理学奖给了布拉格父子,化学奖给了维尔施泰特。
他如果活着会不会得奖,是只能推测的问题。1924 年,瑞典皇家科学院诺贝尔物理学委员会主席 Gullstrand 在给西格巴恩的颁奖词里回顾 X 射线谱学时说:莫塞莱「还没来得及获奖就倒在了达达尼尔」,但他的研究让人注意到了巴克拉的功绩,巴克拉因此在 1918 年被提名,「随即获奖」。Trimble 与 Mainz 转述科学史家 Friedman 的看法:授给巴克拉的 1917 年奖,某种程度上混合了对莫塞莱的追念与对英国物理学的表彰。
同一篇论文也提醒了另一面:关于他的赞誉很多写于他刚死之后,「需要照此来评估」;把他的死称为一战中科学上最大的损失时,「我们也无从知道别人若活下来会做成什么」。
身后
他的方法很快被别人接过去。瑞典的西格巴恩把 X 射线波长的测量精度提高到莫塞莱当年的约一千倍,找到了 M 系、N 系谱线,获 1924 年诺贝尔物理学奖。
他留下的空位一个个被填上:72 号铪 1923 年在哥本哈根找到,鉴定靠的正是 X 射线谱;75 号铼 1925 年发现;43 号锝与 61 号钷没有稳定同位素,要等到 1937 年和 1945 年才分别在加速器靶和反应堆产物里被认出来。
今天的周期表按原子序数排列,教科书里「原子序数等于质子数」这句话,源头就在他那两篇加起来二十页的论文里。
代表方程
莫塞莱定律(Kα 线)
元素最强那条 K 系 X 射线的频率 ,等于里德伯频率 的四分之三,再乘上「原子序数减一」的平方。1913 年他从钙到锌十种元素量出这条规律,1914 年一路推到金
频率平方根与原子序数成直线
把每种元素某条谱线频率的平方根对 作图,点排成一条直线。 与 随谱线而定:K 系的 约为 1,L 系约为 7.4。哪一格空着、哪两种元素排反了,在直线上一眼可见
四分之三从哪来
玻尔模型里,电子从第 2 定态落到第 1 定态放出的频率正比于这个差。莫塞莱实测出来的系数恰好就是它——他在 1913 年的论文里称这一吻合「值得注意」,因为 X 射线与氢的可见光谱波长相差约两千倍
布拉格条件
他用一块亚铁氰化钾晶体当光栅,按布拉格父子的反射条件由掠射角 反推波长 。晶面间距 取 厘米,用照相底片代替电离室,一张底片曝光约五分钟
伟大发现
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.莫塞莱与达尔文《X 射线的反射》,《哲学杂志》第 26 卷第 210 页(1913)
- 2.莫塞莱《元素的高频光谱》,《哲学杂志》第 26 卷第 1024 页(1913)——莫塞莱定律、原子序数即核电荷数、与玻尔理论的比较
- 3.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、三个空位
- 4.van den Broek《原子内的电荷与原子结构》,《自然》第 92 卷第 476 页(1913)
- 5.卢瑟福《亨利·格温·杰弗里斯·莫塞莱》(讣告),《自然》第 96 卷第 33 页(1915)——生平、阵亡经过与对军方的批评
- 6.诺贝尔奖提名档案:1915 年物理学奖,阿伦尼乌斯提名 W. H. 布拉格、C. G. 达尔文、莫塞莱
- 7.诺贝尔奖提名档案:1915 年化学奖,阿伦尼乌斯提名莫塞莱、W. H. 布拉格、C. G. 达尔文
- 8.Gullstrand《1924 年诺贝尔物理学奖颁奖词》(授予西格巴恩),1925 年 12 月 10 日
- 9.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)
- 10.诺贝尔奖官网《常见问题》:能否追授诺贝尔奖
- 11.Min-Liang Wong《物理学家之死改变了战时政策》(通信),《自然》第 524 卷第 415 页(2015)
- 12.Jacob Roberts《亨利·莫塞莱的双重遗产》,科学史研究所《蒸馏》杂志(2020)
- 13.J. L. Heilbron《H. G. J. 莫塞莱:一位英国物理学家的生平与书信,1887–1915》,加州大学出版社(1974)——本页未直接查阅,经 Trimble 与 Mainz 转引