亨利·莫斯莱

原子序数发现者

亨利·格温·杰弗里·莫塞莱（Henry Gwyn Jeffreys Moseley，1887年11月23日-1915年8月10日），或者称作亨利·莫斯莱，亨利·莫塞莱，是一位英国的物理学家、化学家。莫塞莱的科研成就打破了先前物理学的成见，他提出了原子序数的概念。他的这些发现源自他对X射线当中的莫塞莱定律（Moseley's law）的发展。

早年经历

莫塞莱的朋友们喜欢叫他“哈里（Harry）”。莫塞莱他于1887年11月23日出生于英格兰多塞特郡韦茅斯。莫塞莱的父亲名叫亨利·诺蒂奇·莫塞莱（Henry Nottidge Moseley，1844-1891），在他4岁的时候就去世了。莫塞莱父亲是一位生物学家，还担任牛津大学的解剖学和物理学教授，亦曾是“挑战者号“”科考活动（Challenger Expedition，编者注：由英国博物学家、海洋动物学家查尔斯·威维尔·汤姆森[Charles Wyville Thomson]为首的一批科学家搭乘英国皇家海军的挑战者号[HMS Challenger]小型护卫舰于1872-1876年间进行的一系列科考活动，为海洋学奠定了基础）的成员之一。莫塞莱的母亲名叫阿玛贝尔·格温·杰弗里斯·莫塞莱（Amabel Gwyn Jeffreys Moseley），她是威尔士生物学家、贝类学家（conchologist）约翰·格温·杰弗里斯（John Gwyn Jeffreys）的女儿。

在夏田学校（Summer Fields School）就读时，莫塞莱就是一个很有前途的学生，该校的四个“联盟（leagues，夏田学校的学生组织）”之一至今仍以他的名字命名。莫塞莱获得皇室奖学金后（King's scholarship）前往伊顿公学（Eton College）就读。1906年，莫塞莱在伊顿公学赢得了化学和物理奖，同年他进入牛津大学三一学院就读，并在那里获得了学士学位。在牛津大学攻读学士学位期间，莫塞莱加入了共济会在牛津大学的分会阿波罗大学分会（Appollo University Lodge）。

1910年，刚刚从牛津大学毕业的莫塞莱就进入曼彻斯特大学（University of Manchester），在著名物理学家欧内斯特·卢瑟福手下担任物理学讲师（demonstrator in physics）。莫塞莱在曼彻斯特大学的第一年里，他是一位有大学学位的助理讲师（a teaching load as a graduate teaching assistant），主要工作是授课，但从第二年开始，他被调任硕士生研究助理（graduate research assistant），主要工作是科研。卢瑟福向莫塞莱发出邀请，希望与其共事，但被后者婉拒，因为后者更希望返回牛津大学。1913年11月，莫塞莱返回牛津大学，校方提供给他实验室和相关设施，但没有多少其他支持。

科研经历

莫塞莱定律及原子序数

1912年，经过了对β粒子能量的试验，莫塞莱发现在镭的放射源当中存在高电势，因而发明了第一个原子能电池，尽管他无法产生100万伏特能量去阻停β粒子。

1913年，莫塞莱用X射线晶体衍射的方法观察和测量了很多化学元素（大部分是金属）的电子波谱。利用布拉格衍射定律去得出X射线的波长，这是X射线光谱学在物理领域的一次开拓性应用。莫塞莱发现了X射线波长和用于X射线管靶的金属元素原子数目之间的系统性数学关系，这被称作莫塞莱定律。

在莫塞莱发现原子序数之前，包括俄国化学家德米特里·伊万诺维奇·门捷列夫在内的化学家都认为化学元素的原子序数是基于原子质量顺序的半任意序数（semi-arbitrary sequential number）。在门捷列夫制作的元素周期表里，他将一些元素的位置进行了调整，使这些元素能被放到表里更加合适的位置。例如，钴和镍这两种金属元素分别被分配的原子序数为27和28，以对应它们已知的化学和物理属性，即使它们有着相同的原子质量。事实上，钴的原子质量稍大于镍，因此应该把这二者的原子序数相互调换才对。在莫塞莱的X射线光谱学实验里，他直接从物理上正确地测定律钴和镍这两种元素出有着不同的原子质量，这一发现使得钴的原子序数被调整到27，镍的原子序数被调到28。因此，莫塞莱的发现说明了原子序数不是来源于化学家的臆断，而是通过元素的X射线光谱学的坚实试验基础来得出。

更甚者，莫塞莱展示了原子序数为43,、61、72和75的元素存在空缺。现在这些空缺时已经被探明，分别是人工合成的放射性元素锝（1937年成功从钼元素中分离）和钷（1947年在铀的裂变物中成功分离），以及两个相当稀少的天然稳定元素铪（1923年被发现）和铼（1925年被发现）。但在莫塞莱所处的年代，这些都是未知的。一些经验丰富化学家曾作出一些有关未知元素的预测，如门捷列夫曾预测，在元数周期表内尚有一个空缺的元素，后来被新发现的元素“锝”填充。捷克化学家博胡斯拉夫·布劳纳（Bohuslav Brauner，1855-1935，他为求解相对原子质量和稀土元素的研究做出了贡献）亦曾预测元素周期表内另有一个空缺，后来被元素“钷”填充。莫塞莱通过实验证实，以上未知元素的原子序数分别为43和61。除此之外，莫塞莱还预测了两个未知元素原子序数分别是72和75的未知元素，他还提供了强有力的证据表明，铝元素（原子序数为13）和金元素（原子序数79）之间不存在任何空缺。

之后的问题是关于其他未知元素存在可能性的，这是困扰全球化学界的长期问题，特别是有关稀土元素中的镧系元素。莫塞莱能够展示这些镧系元素，例如从镧元素至镥元素，一共有不多不少的15个元素。而探明镧系元素的数量在20世纪早期一直是个难题。因为那时的化学家们还无法提炼出精纯的稀土元素以及生产相关的盐，在某些情况下化学家们甚至无法从两种或两种以上十分类似（在元素周期表中相邻）的稀土元素组成的混合物将其一一区分开来。例如，曾有一种被称为“didymium”的物质曾被认为是一种稀土元素，但后来didymium被证实这是由“钕”和“镨”这两种稀土元素组成的混合物，在更进一步的研究中，钆元素和钐元素亦先后被从didymium中分离出来。当然，在莫塞莱所处的年代里，用于分离稀土元素的“离子交换法”还未被发明。

莫塞莱利用X射线光谱学的方法可以准确地解决上述的化学难题。莫塞莱还预测了原子序数为61的元素的存在，而该镧系元素先前从未被认为是存在的。1947年，马林斯基（J.A.Marinsky）、格伦丹宁（L.E.Glendenin）和科里尔（C.E.Coryell）从铀的裂变产物中发现了61号元素，用希腊神话中的神名普罗米修斯（Prometheus）命名为钷（Promethium）。

在莫塞莱和他的定律之前，原子序数被认为是半任意序数，其排列序数随着原子质量增大而增加，但却不严格遵循于此。莫塞莱的发现显示了原子序数并非任意指定的，而是有着明确的物理基础。莫塞莱假设元素周期表中每个相连的元素都有一个核电荷，比它的前一个核电荷大一个单位。莫塞莱重新定义了原子序数，并将其描述为“一个特殊的数字标记，帮助将元素在元素周期表内排序成一个精确的升序原子序数序列，使得周期表变得精确（ an ad hoc numerical tag to help sorting the elements into an exact sequence of ascending atomic numbers that made the Periodic Table exact）”。莫塞莱的这一定义后来成为了原子学的构造原理基础。玻尔指出，莫塞莱定律为卢瑟福和安东尼乌斯·范登布罗克（Antonius van den Broek，荷兰业余物理学家及律师，他在1911年第一个提出了元素周期表内的元素与带电原子核相对应的概念，莫塞莱因此受到启发并在1913年用实验数据证明了它）的原子模型提供了完整合理的实验数据；即原子是由一个带正电荷的原子核与包围原子核的若干带负电粒子（后来被称为电子）组成，而带负电粒子的数量与原子核当中带正电的粒子（后来被称为质子）数目相同。莫塞莱在他的科研资料里提到了卢瑟福和布罗克的名字，但却没提到玻尔，因为玻尔的名字当时在那个领域还是陌生的。如果简单地把玻尔和约翰内斯·罗伯·里德伯格（Johannes Rober Rydberg，1854-1919，瑞典物理学家、数学家，光谱学的奠基人之一）这二人的公式修改一下，就可以得出莫塞莱经验上推导原子序数定律的理论证明。

X射线光谱仪的应用

X射线光谱仪是X射线晶体学的基础。莫塞莱使用的X射线光谱仪工作原理如下所述：用一个玻璃球状电子管，就像图1中莫塞莱手中拿的那样。在真空管内，电子被射向金属物质（例如莫塞莱试验当中的纯物质样本），导致元素内电子层的电子电离。反弹的电子会进入内电子层的孔隙，使得发射的X射线光子会有半波束被引出管子里，通过一个X射线外部屏障的开口。接下来用一个标准的盐晶体以一定角度进行衍射，可以通过一定距离的真空管上曝光的X射线胶片观察到摄影线。应用布拉格定律（经过一些对金属晶体里原子之间平均距离的猜测，这取决于晶体的密度），使得接下来发射的X射线波长可以被计算出来。

莫塞莱参与了早期X射线光谱仪的设计和改进工作，向利兹大学的威廉·亨利·布拉格（William Henry Bragg，英国物理学家）和威廉·劳伦斯·布拉格（William Lawrence Bragg，英国物理学家）父子二人学习了一些相关技术后，他自己改进了其他一些地方。许多X射线光谱学的相关技术是受可见光分光镜和光谱图，用晶体、电离室和照相板代替其在光谱中的类似物的方法所启发。有时候，莫塞莱发现要用他的设备和真空室去调整光谱仪以探测到低频的无法穿透纸张或空气的X射线。

英年早逝

1914年上半年，莫塞莱从曼彻斯特大学离职，打算返回牛津大学并在那里继续他的物理研究。然而在1914年8月份，第一次世界大战爆发了，莫塞莱辞去了牛津大学的工作，选择入伍，他被安排在英国军队里的皇家工程兵部队（Royal Engineers of the British Army）服役。莫塞莱的家人和朋友试图说服他不要参军，但他认为参军是他的责任。莫塞莱以一名通讯技术军官的（technical officer in communications）身份随军参加了在1915年4月份于土耳其加里波利爆发的加里波利战役（Battle of Gallipoli）。1915年8月10日，莫塞莱在打电话下达命令时被一名土耳其狙击手射中头部，当场死亡。

图2展示的是由英国皇家化学学会（Royal Society of Chemistry）于2007年在牛津大学汤森大厦的克拉伦登实验室（Townsend Building of the Clarendon Laboratory at Oxford）竖立的蓝色牌匾，以纪念莫塞莱于20世纪早期对从元素中发射X射线频率研究的先驱地位。

人物评价

莫塞莱阵亡时年仅27岁，在一些科学家看来，如果莫塞莱没有在战场上阵亡的话，他可以对原子结构的研究做出更大的贡献。

尼尔斯·玻尔在1962年说道，卢瑟福的研究“在当时都没有被认真对待（was not taken seriously at all）”，并且相关研究的“重大改变来自莫塞莱（great change came from Moseley）”。

美国实验物理学家罗伯特·安德鲁·密立根（Robert Andrews Millikan）写道，“在一项注定要被列为科学史上十几项拥有最杰出的概念、最熟练的执行和最有启发性的成果之一的研究当中，一位26岁的年轻人打开了窗口，让我们可以用一种过去从未梦想过的明确且确定的方法去窥探亚原子的世界。在欧洲爆发的战争除了夺去年轻人的生命以外没有带来其他任何好处，而单凭这一点（莫塞莱之死）就会成为历史上最可怕、最无法挽回的罪行之一（“In a research which is destined to rank as one of the dozen most brilliant in conception, skillful in execution, and illuminating in results in the history of science, a young man twenty-six years old threw open the windows through which we can glimpse the sub-atomic world with a definiteness and certainty never dreamed of before. Had the European War had no other result than the snuffing out of this young life, that alone would make it one of the most hideous and most irreparable crimes in history”）。

近代科学史奠基人之一---乔治·萨顿（George Sarton）写道，“他的名声已经建立在如此牢固的基础之上，而他的记忆则永远是青葱的。他是科学界不朽的丰碑之一，如果他能活得更久的话，他会我们带来更多的知识，他做出的贡献是如此的重要，而他要超越自身的可能性是如此之小。无论他活了多久，他会永远因为在26岁那年出版了‘莫塞莱定律’而被人们铭记（His fame was already established on such a secure foundation that his memory will be green forever. He is one of the immortals of science, and though he would have made many other additions to our knowledge if his life had been spared, the contributions already credited to him were of such fundamental significance, that the probability of his surpassing himself was extremely small. It is very probable that however long his life, he would have been chiefly remembered because of the 'Moseley law' which he published at the age of twenty-six.）。”

美国作家艾萨克·阿西莫夫（Isaac Asimov）写道，“在他（莫塞莱）已经取得的成就看来...他的牺牲成为了全人类在战争中付出的最大代价（In view of what he [Moseley] might still have accomplished … his death might well have been the most costly single death of the War to mankind generally）。”因为莫塞莱在一战中阵亡，以及之后卢瑟福的积极游说，英国政府出台了一些政策，即不再允许那些取得突出成就的或者有着远大前途的科学家被征召入伍。

阿西莫夫曾作出预测，如果莫塞莱没有在服役时阵亡，他很有可能会获得1916年诺贝尔物理学奖，因为那年的化学奖没有被授予。在那前两年的，即1914年和1915年的，以及后一年的，即1917年的诺贝尔物理学奖获得者将使这一说法更为可信。1914年，德国物理学家马克斯·冯·劳厄（Max von Laue）因为发现了晶体的X射线衍射现象被授予诺贝尔物理学奖，这是在发明X射线光谱仪当中的重要一环。随后在1915年，威廉·亨利·布拉格（以下简称为老布拉格）和威廉·劳伦斯·布拉格这对英国父子因为发现用X射线求解晶体形状这一逆问题而获得了诺贝尔物理学奖（老布拉格的另一个儿子罗博特·查尔斯·布拉格[Robert Charles Bragg]在1915年9月2日于加里波利战役中阵亡）。接下来，莫塞莱使用X射线在已知晶体的衍射去测定金属的X射线光谱。

这是对X射线光谱学的首次应用，亦是离X射线晶体分析法（X-ray crystallography）的创立更近了一步。除此之外，莫塞莱的研究方法和分析方式实质性的支持了原子序数的概念，并为这一概念奠定了坚实的物理基础。在前人的基础上，英国物理学家查尔斯·格洛弗·巴克拉（Charles Glover Barkla）因为在试验中用X射线光谱学发现了从不同元素（特别是金属元素）当中射出的X射线特征频率而获得了1917年诺贝尔物理学奖。瑞典物理学家曼内·西格巴恩（ Manne Siegbahn）在莫塞莱研究的基础上继续深入，他后来因为对X射线光谱学的研究而获得了1924年诺贝尔物理学奖。莫塞莱的研究发现和上述同时代的人处于同一领域，并且他对原子序数概念的基础的影响更为深远。卢瑟福评价莫塞莱的研究时表示“莫塞莱研究生涯开端的这两年里取得的成就足以配得上一次诺贝尔奖（Allowed him to complete during two years at the outset of his career a set of researches that would surely have brought him a Nobel prize）。”

与莫塞莱相关的纪念牌匾被设置在曼彻斯特大学和伊顿公学里，英国皇家学会（Royal Society）还以他为名设立了一项奖学金。该奖学金的第二任获得者帕特里克·布莱克特（Patrick Blackett）后来成为了英国皇家学会主席，布莱克特同时也是1948年诺贝尔物理学奖的获得者。

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