英年早逝的元素理論開創(chuàng)者

凱米

從牛津到曼徹斯特

談到對人類科學(xué)有著巨大貢獻(xiàn)的化學(xué)元素周期表，很多人會想到門捷列夫，卻忽略了另一位杰出的科學(xué)家——亨利·莫塞萊。實(shí)際上，我們今天所看到的元素周期表，就是依據(jù)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(shí)死在第一次世界大戰(zhàn)的戰(zhàn)場上，或許這也是他不怎么被人們熟知的原因吧。

1887年，亨利·莫塞萊生于英國多塞特郡的一個(gè)科學(xué)世家，他的父親是牛津大學(xué)的生物學(xué)家，祖父和外祖父都是英國皇家學(xué)會的會員。良好的家庭熏陶，讓莫塞萊很小就對自然科學(xué)產(chǎn)生濃厚的興趣，而且，莫塞萊既聰明又努力，所以在求學(xué)階段成績一直很好，是學(xué)校里的明星學(xué)生。不過，年輕的莫塞萊并不打算子承父業(yè)，他希望將來研究物理學(xué)而不是生物學(xué)。就讀于英國最好的兩所學(xué)?！令D公學(xué)和牛津大學(xué)之后，已經(jīng)大學(xué)畢業(yè)的莫塞萊于1910年來到曼徹斯特大學(xué)，在英國著名物理學(xué)家歐內(nèi)斯特·盧瑟福的指導(dǎo)下從事物理學(xué)研究。

用放射性元素發(fā)電

莫塞萊投入盧瑟福門下的時(shí)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?yàn)椤皩υ赝懽円约胺派浠瘜W(xué)的研究”而獲得諾貝爾化學(xué)獎。一年前（1909年），他又做出了著名的α粒子散射實(shí)驗(yàn)，初步證明了原子的核式結(jié)構(gòu)——原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在一個(gè)很小的原子核里。跟著這樣一位以研究化學(xué)射線而聞名的原子物理學(xué)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(shí)驗(yàn)技術(shù)。

在熟悉了盧瑟福的研究領(lǐng)域之后，莫塞萊開始按照自己的想法做一些獨(dú)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(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)放射性元素鐳放射出β粒子時(shí)，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，那么鐳將漸漸積累出極多的正電荷，產(chǎn)生高電勢。利用這個(gè)原理，莫塞萊做出了世界上第一個(gè)利用放射性元素的衰變現(xiàn)象來發(fā)電的鐳原子電池。

最重要的發(fā)現(xiàn)——莫塞萊定律

1913年，德國物理學(xué)家馮·勞厄發(fā)現(xiàn)“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(diǎn)）的消息傳到了英國，英國物理學(xué)家布拉格父子（亨利·布拉格和勞倫斯·布拉格，兩人一起于1915年獲得諾貝爾物理學(xué)獎）在勞厄的發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)上，不僅成功地測定了氯化鈉、氯化鉀等晶體的結(jié)構(gòu)，還提出了研究晶體衍射現(xiàn)象的著名公式──布拉格方程：2dsinθ=nλ。

這時(shí)，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(lǐng)域?qū)袕V闊的研究前景，他轉(zhuǎn)而主動投入到X射線標(biāo)識光譜的研究當(dāng)中。X射線標(biāo)識光譜的概念是英國物理學(xué)家查爾斯·巴克拉于1911年提出的，即元素受到入射的X射線激發(fā)時(shí)，會發(fā)射出帶有特定波長的特征性譜線，這就是元素的X射線標(biāo)識光譜。

在曼徹斯特，莫塞萊使用亨利·布拉格設(shè)計(jì)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(xué)元素進(jìn)行了系統(tǒng)性分析。通過實(shí)驗(yàn)，莫斯里證明了巴克拉的設(shè)想是正確的——元素的特征譜線隨著元素原子量的增大而均勻地減小，確實(shí)帶有“標(biāo)識性”。但莫塞萊并沒有淺嘗輒止，他將這些元素的X射線標(biāo)識光譜排列在一起加以分析，并做了大量的定量計(jì)算，結(jié)果有了驚人的發(fā)現(xiàn)。

1914年，莫塞萊將自己的發(fā)現(xiàn)發(fā)表在題為“各種元素的高頻光譜”的論文中。他指出，元素特征譜線的頻率與原子序數(shù)的平方存在精確的數(shù)學(xué)關(guān)系——這種數(shù)學(xué)關(guān)系就是“莫塞萊定律”。隨后，莫塞萊又用理論證實(shí)，元素的原子序數(shù)與原子核內(nèi)的正電荷數(shù)相等，它是一種可以代表元素物理和化學(xué)性質(zhì)的標(biāo)志性數(shù)字。

重新理解化學(xué)周期表

莫塞萊定律的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了化學(xué)元素周期表的一項(xiàng)重大改進(jìn)。

1869年，門捷列夫?qū)⒌谝粡堅(jiān)刂芷诒碇谱鞒鰜砗?，科學(xué)界普遍認(rèn)為化學(xué)元素的序數(shù)由原子量所決定。但有時(shí)候，元素在周期表中按照原子量預(yù)測的位置與它按照物理、化學(xué)性質(zhì)預(yù)測的位置并不匹配，比如金屬鈷和金屬鎳。如果按照原子量來排序，那么鈷更重，應(yīng)該排在鎳之后，但這與它們的物理和化學(xué)性質(zhì)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(jù)元素特征譜線的頻率得出原子序數(shù)，那么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(xué)元素的原子序數(shù)并非由原子量決定，更非門捷列夫主觀推測的那樣，而是依據(jù)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的客觀結(jié)果所獲得的。另外，通過更多的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算，莫塞萊預(yù)測了元素周期表中有若干暫未被發(fā)現(xiàn)的空缺位置，比如43、61、72和75。在莫塞萊的時(shí)代，這四種序數(shù)的元素都不為世人所知，但如今它們均被發(fā)現(xiàn)，分別是兩種人工放射性元素锝、钷，以及兩種稀有元素鉿、錸。

英年早逝的物理學(xué)家

1914年，年僅26歲的莫塞萊就已經(jīng)在科學(xué)領(lǐng)域取得了如此杰出的成就。他的導(dǎo)師盧瑟福和亨利·布拉格向牛津大學(xué)建議，任命莫塞萊擔(dān)任物理系主任這一重要職位。但莫塞萊有自己的想法。此時(shí)，第一次世界大戰(zhàn)剛剛爆發(fā)，愛國熱情高漲的莫塞萊應(yīng)征入伍，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(gè)月后在戰(zhàn)場上陣亡。這一消息震動了英國物理學(xué)界，英國政府隨即修訂政策，禁止本國最杰出的科學(xué)家參與戰(zhàn)斗任務(wù)。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(jì)所建立的成就而論，他的陣亡算得上是人類戰(zhàn)爭史上最令人惋惜的一場損失了——畢竟，他揭示了化學(xué)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。