原子序数----化学成年

张武昌2025年11月30日星期日

（一）

1914年第一次世界大战爆发，莫塞莱Moseley应征入伍，成了皇家工程兵的一名中尉。

Rutherfold出于惜才之心，特意给英国要人写信，要求将其从前线调回，但没获准。

1915年8月10日，在土耳其加利波利半岛登陆战役中，土耳其军队进攻到莫塞莱所在部队侧翼的200米处。莫塞莱当时正用电话向部队传达命令，被一颗子弹击中头部，当场死亡，时年不到28岁。

这一天，一位妈妈在日记中写到：My Harry was killed in the Dardanelles (达达尼尔)。

（二）

1808年，道尔顿出版了《化学哲学新体系》，给出了原子的定义，建立了元素和原子的关系，认为特定的元素是有相同的原子组成的，不同元素的差别是他们的原子具有不同的质量，以氢原子的质量为基准，测量了一些原子的相对质量。化学是研究原子之间关系的科学。元素的定义使得化学从炼金术中脱胎换骨出来，原子的定义（及后来的分子论）使得化学进入定量阶段，化学学科正式建立。

此后，以原子质量定义的元素逐渐形成了元素周期表。

然而，元素的本质区别是其质量吗，即化学反应的驱动力是其质量吗，科学家还在一片黑暗里摸索。

直到卢瑟福Rutheford金箔实验。

（三）

卢瑟福Rutheford金箔实验（也称为α粒子散射实验）于1909年在曼彻斯特大学进行，由汉斯·盖革和恩斯特·马斯登在欧内斯特·卢瑟福的指导下完成。1911年，卢瑟福发表论文

E. Rutherford, F.R.S . 1911. The Scattering of alpha and beta Particles by Matter and the Structure of the Atom," Phil. Mag., Philosophical Magazine Series 6, vol. 21 May 1911, p. 669-688

从此物理学的研究进入了原子内部，原子内部结构或称亚原子研究开始了。

提出核型原子结构理论，原子被看成是外围带负电的电子和正电的原子核两部分组成，此时，摆在科学家面前的首要问题是，“各种元素的原子中有多少电荷呢？”，或者说“各种元素的原子原子核各带多少正电荷呢？”在卢瑟福1911alpha粒子散射的文章中，提出  电荷数可以通过粒子散射进行研究，预计电荷数应为原子量的3倍。

在卢瑟福1911文章发表之后1个月，布洛克Broek 在著名期刊Nature上发文提出原子中的电子数目是原子量的一半。

 VAN DEN BROEK, A. The number of possible elements and Mendeléff's “Cubic” Periodic System. Nature 87, 78 (1911). https://doi.org/10.1038/087078b0  

1913年盖革和马斯登发表论文，报道了不同元素的箔对阿尔法粒子的大角度散射的差异。

 Geiger H, Marsden E. 1913 The laws of deflection of alpha particles through large angles. Philos. Mag. Ser. 6 25, 604–623. (doi:10.1080/14786440408634197)  

布洛克随即在著名期刊Nature发表论文，认为不同元素对阿尔法粒子的散射差异是由核内电荷的差异造成的。

Van der Broek A. 1913. Intra-atomic charge. Nature 92, 372–373.

Soddy F. 1913. Intra-atomic charge. Nature 92: 399-400. 

Broek AVD. 1913. Intra-atomic charge and the structure of the atom. Nature 92: 476-478.  对Soddy论文的回应

Broek AVD. 1914. Radio-activity and atomic numbers. Nature 93: 480.  

卢瑟福和Barkla认识到电荷大约为原子量的一半。

而布洛克更进一步认识到电荷大约为原子量的一半等于元素周期表的原子按照原子量排列得出的顺序数（原子序数atomic number）。

（四）

查尔斯·格洛弗·巴克拉（Charles Glover Barkla，1877年6月7日-1944年10月23日，英国物理学家，曾任职于剑桥大学及爱丁堡大学）自1902年起研究X射线，1909年发现特征X射线光谱，提出标识谱线分为K系列和L系列。他通过对钙到铀的K系列及银到铋的L系列研究，证明标识谱与原子核电荷相关，其成果为原子结构理论提供关键证据。1917年，因发现元素的次级X射线标识谱获诺贝尔物理学奖。

巴克拉Charles Glover Barkla

（五）

莫塞莱投入卢瑟福门下的时候，正赶上卢瑟福研究生涯的巅峰阶段。两年前（1908年），卢瑟福因为“对元素蜕变以及放射化学的研究”而获得诺贝尔化学奖。一年前（1909年），他又做出了著名的α粒子散射实验，初步证明了原子的核式结构——原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在一个很小的原子核里。

跟着这样一位以研究化学射线而闻名的原子物理学家，莫塞莱自然而然地迅速掌握了高真空、带电粒子（比如α粒子）辐射和高能射线（比如γ射线）放射方面的实验技术。在熟悉了卢瑟福的研究领域之后，莫塞莱开始按照自己的想法做一些独立的研究。

1912年，莫塞莱在测试β粒子（一种高速的电子）能量的实验中发现，当放射性元素镭放射出β粒子时，镭元素会带上正电。如果对镭做绝缘隔离，随着β粒子不停地射出，那么镭将渐渐积累出极多的正电荷，产生高电势。利用这个原理，莫塞莱做出了世界上第一个利用放射性元素的衰变现象来发电的镭原子电池。

1913年，德国物理学家冯·劳厄发现“劳厄斑”（用X射线照射晶体，会得到分散的X射线的衍射斑点）的消息传到了英国，英国物理学家布拉格父子(亨利·布拉格和劳伦斯·布拉格，两人一起于1915年获得诺贝尔物理学奖)在劳厄的发现基础上，不仅成功地测定了氯化钠、氯化钾等晶体的结构，还提出了研究晶体衍射现象的著名公式──布拉格方程：2dsinθ=nλ。

这时，一直在研究高能β粒子的莫塞莱意识到，新兴起的X射线领域将会有广阔的研究前景，他转而主动投入到X射线标识光谱的研究当中。

X射线标识光谱的概念是英国物理学家查尔斯·巴克拉于1911年提出的，即元素受到入射的X射线激发时，会发射出带有特定波长的特征性谱线，这就是元素的X射线标识光谱。

在曼彻斯特，莫塞莱使用亨利·布拉格设计的X射线光谱仪，对钙、钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜这10种周期表上相邻的化学元素进行了系统性分析。通过实验，莫塞莱证明了巴克拉的设想是正确的——元素的特征谱线随着元素原子量的增大而均匀地减小，确实带有“标识性”。但莫塞莱并没有浅尝辄止，他将这些元素的X射线标识光谱排列在一起加以分析，并做了大量的定量计算，结果有了惊人的发现。

1914年，莫塞莱将自己的发现发表在题为“各种元素的高频光谱”的论文中。他指出，元素特征谱线的频率与原子序数的平方存在精确的数学关系——这种数学关系就是“莫塞莱定律”。随后，莫塞莱又用理论证实，元素的原子序数与原子核内的正电荷数相等，它是一种可以代表元素物理和化学性质的标志性数字。

 Moseley HGJ. 1913 The high-frequency spectra of the elements. Philos. Mag. Ser. 6 26, 1024–1034. (doi:10.1080/14786441308635052)  

Moseley HGJ. 1914 The high-frequency spectra of the elements. Part II. Philos. Mag. Ser. 6 27, 703–713. (doi:10.1080/14786440408635141)  

（六）

莫塞莱定律的发现引发了化学元素周期表的一项重大改进。

1869年，门捷列夫将第一张元素周期表制作出来后，科学界普遍认为化学元素的序数由原子量所决定。但有时候，元素在周期表中按照原子量预测的位置与它按照物理、化学性质预测的位置并不匹配，比如金属钴和金属镍。如果按照原子量来排序，那么钴更重，应该排在镍之后，但这与它们的物理和化学性质不符，所以门捷列夫仍然主观地将钴排在了第27位，将镍排在了第28位。

然而，如果按照莫塞莱定律，根据元素特征谱线的频率得出原子序数，那么就可以很自然地将钴排在镍的前面。由此，莫塞莱以令人信服的方式证明，化学元素的原子序数并非由原子量决定，更非门捷列夫主观推测的那样，而是依据科学实验的客观结果所获得的。另外，通过更多的实验和计算，莫塞莱预测了元素周期表中有若干暂未被发现的空缺位置，比如43、61、72和75。在莫塞莱的时代，这四种序数的元素都不为世人所知，但如今它们均被发现，分别是两种人工放射性元素锝、钷，以及两种稀有元素铪、铼。

莫塞莱的研究使得人们认识到元素之间的本质区别不是其原子量，而是其电荷数，化学在元素原子论的基础上确立了元素的正确定义，化学完成了成年礼。从1808年化学学科的建立到1914年化学的成年，经过了一个世纪。

（七）

美国作家艾萨克·阿西莫夫（Isaac Asimov）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（1914年和1915年）以及后一年（1917年）的诺贝尔物理学奖获得者将使这一说法更为可信。

1901年获奖的威廉·康拉德·伦琴发现了X射线。

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。

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）。

1917 年诺贝尔物理学奖授予英国爱丁堡大学的巴克拉（Charles Glouer Barkla，1877—1944），表彰他发现了标识X射线。

不到二十年就有五位诺贝尔物理学奖获得者，占当时总数的四分之一以上，可见X射线的研究成果在二十世纪前二十年中占有何等重要的地位。

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，发现了原子序数。

（八）

1914年，年仅26岁的莫塞莱就已经在科学领域取得了如此杰出的成就。他的导师卢瑟福和亨利·布拉格向牛津大学建议，任命莫塞莱担任物理系主任这一重要职位。

但莫塞莱有自己的想法。1914年7月，第一次世界大战刚刚爆发，爱国热情高涨的莫塞莱应征入伍，成为一名工程兵。

1915年6月，莫塞莱随英军开赴土耳其前线，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。

一颗聪明智慧的头脑，被战争无情地毁灭了，一颗刚刚升起的明亮的化学之星过早地陨落了，科学家们发明的枪弹和火药杀死了这位伟大的科学家。

阿西莫夫写道，“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，英国政府出台政策，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。