亨利·莫斯萊:早年經歷,科研經歷,莫塞萊定律及原子序數,X射線光譜儀的套用,英年早

亨利·格溫·傑弗里·莫塞萊（Henry Gwyn Jeffreys Moseley，1887年11月23日-1915年8月10日），或者稱作亨利·莫斯萊，亨利·莫塞萊，是一位英國的物理學家、化學家。莫塞萊的科研成就打破了先前物理學的成見，他提出了原子序數的概念。他的這些發現源自他對X射線當中的莫塞萊定律（Moseley's law）的發展。

莫塞萊定律推動了原子物理學的發展，除了為尼爾斯·玻爾理論用來重現的氫原子光譜之外，核物理和量子物理為玻爾的理論提供了第一次實驗證據。該理論改進了歐內斯特·盧瑟福和安東尼烏斯·范登布羅克的模型，該模型表明了原子核中含有若干正核電荷，這些正核電荷數等於周期表中的原子數。該模型至今仍被世人接受。

當一戰在西歐爆發以後，莫塞萊辭去了他在牛津大學的研究工作，以志願者的身份入伍並成為了英國軍隊的一位工程兵軍官。1915年4月，莫塞萊跟隨大英帝國軍隊一起入侵了土耳其的加里波利，他當時的職務是電報官員。1915年8月10日，莫塞萊在加里波利戰役期間被擊中身亡，享年27歲。有關專家預測，如果莫塞萊能活到1916年的話，他可以得到那年的諾貝爾物理學獎。因為莫塞萊的陣亡，英國政府制定了新的參戰資格政策。

基本介紹

中文名：亨利·格溫·傑弗里·莫塞萊
外文名：Henry Gwyn Jeffreys Moseley
國籍：英國
民族：不列顛人
出生地：英格蘭多塞特郡韋茅斯
出生日期：1887年11月23日
逝世日期：1915年8月10日
職業：物理學家、化學家
畢業院校：牛津大學三一學院
主要成就：發現原子序數，提出莫塞萊定律

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早年經歷

莫塞萊的朋友們喜歡叫他“哈里（Harry）”。莫塞萊他於1887年11月23日出生於英格蘭多塞特郡韋茅斯。莫塞萊的父親名叫亨利·諾蒂奇·莫塞萊（Henry Nottidge Moseley，1844-1891），在他4歲的時候就去世了。莫塞萊父親是一位生物學家，還擔任牛津大學的解剖學和物理學教授，亦曾是“挑戰者號“”科考活動（Challenger Expedition，編者註：由英國博物學家、海洋動物學家查爾斯·威維爾·湯姆森[Charles Wyville Thomson]為首的一批科學家搭乘英國皇家海軍的挑戰者號[HMS Challenger]小型護衛艦於1872-1876年間進行的一系列科考活動，為海洋學奠定了基礎）的成員之一。莫塞萊的母親名叫阿瑪貝爾·格溫·傑弗里斯·莫塞萊（Amabel Gwyn Jeffreys Moseley），她是威爾斯生物學家、貝類學家（conchologist）約翰·格溫·傑弗里斯（John Gwyn Jeffreys）的女兒。

在夏田學校（Summer Fields School）就讀時，莫塞萊就是一個很有前途的學生，該校的四個“聯盟（leagues，夏田學校的學生組織）”之一至今仍以他的名字命名。莫塞萊獲得皇室獎學金後（King's scholarship）前往伊頓公學（Eton College）就讀。1906年，莫塞萊在伊頓公學贏得了化學和物理獎，同年他進入牛津大學三一學院就讀，並在那裡獲得了學士學位。在牛津大學攻讀學士學位期間，莫塞萊加入了共濟會在牛津大學的分會阿波羅大學分會（Appollo University Lodge）。

1910年，剛剛從牛津大學畢業的莫塞萊就進入曼徹斯特大學（University of Manchester），在著名物理學家歐內斯特·盧瑟福手下擔任物理學講師（demonstrator in physics）。莫塞萊在曼徹斯特大學的第一年裡，他是一位有大學學位的助理講師（a teaching load as a graduate teaching assistant），主要工作是授課，但從第二年開始，他被調任碩士生研究助理（graduate research assistant），主要工作是科研。盧瑟福向莫塞萊發出邀請，希望與其共事，但被後者婉拒，因為後者更希望返回牛津大學。1913年11月，莫塞萊返回牛津大學，校方提供給他實驗室和相關設施，但沒有多少其他支持。

科研經歷

莫塞萊定律及原子序數

1912年，經過了對β粒子能量的試驗，莫塞萊發現在鐳的放射源當中存在高電勢，因而發明了第一個原子能電池，儘管他無法產生100萬伏特能量去阻停β粒子。

1913年，莫塞萊用X射線晶體衍射的方法觀察和測量了很多化學元素（大部分是金屬）的電子波譜。利用布拉格衍射定律去得出X射線的波長，這是X射線光譜學在物理領域的一次開拓性套用。莫塞萊發現了X射線波長和用於X射線管靶的金屬元素原子數目之間的系統性數學關係，這被稱作莫塞萊定律。

在莫塞萊發現原子序數之前，包括俄國化學家德米特里·伊萬諾維奇·門捷列夫在內的化學家都認為化學元素的原子序數是基於原子質量順序的半任意序數（semi-arbitrary sequential number）。在門捷列夫製作的元素周期表里，他將一些元素的位置進行了調整，使這些元素能被放到表里更加合適的位置。例如，鈷和鎳這兩種金屬元素分別被分配的原子序數為27和28，以對應它們已知的化學和物理屬性，即使它們有著相同的原子質量。事實上，鈷的原子質量稍大於鎳，因此應該把這二者的原子序數相互調換才對。在莫塞萊的X射線光譜學實驗裡，他直接從物理上正確地測定律鈷和鎳這兩種元素出有著不同的原子質量，這一發現使得鈷的原子序數被調整到27，鎳的原子序數被調到28。因此，莫塞萊的發現說明了原子序數不是來源於化學家的臆斷，而是通過元素的X射線光譜學的堅實試驗基礎來得出。

更甚者，莫塞萊展示了原子序數為43,、61、72和75的元素存在空缺。現在這些空缺時已經被探明，分別是人工合成的放射性元素鎝（1937年成功從鉬元素中分離）和鉕（1947年在鈾的裂變物中成功分離），以及兩個相當稀少的天然穩定元素鉿（1923年被發現）和錸（1925年被發現）。但在莫塞萊所處的年代，這些都是未知的。一些經驗豐富化學家曾作出一些有關未知元素的預測，如門捷列夫曾預測，在元數周期表內尚有一個空缺的元素，後來被新發現的元素“鎝”填充。捷克化學家博胡斯拉夫·布勞納（Bohuslav Brauner，1855-1935，他為求解相對原子質量和稀土元素的研究做出了貢獻）亦曾預測元素周期表內另有一個空缺，後來被元素“鉕”填充。莫塞萊通過實驗證實，以上未知元素的原子序數分別為43和61。除此之外，莫塞萊還預測了兩個未知元素原子序數分別是72和75的未知元素，他還提供了強有力的證據表明，鋁元素（原子序數為13）和金元素（原子序數79）之間不存在任何空缺。

之後的問題是關於其他未知元素存在可能性的，這是困擾全球化學界的長期問題，特別是有關稀土元素中的鑭系元素。莫塞萊能夠展示這些鑭系元素，例如從鑭元素至鑥元素，一共有不多不少的15個元素。而探明鑭系元素的數量在20世紀早期一直是個難題。因為那時的化學家們還無法提煉出精純的稀土元素以及生產相關的鹽，在某些情況下化學家們甚至無法從兩種或兩種以上十分類似（在元素周期表中相鄰）的稀土元素組成的混合物將其一一區分開來。例如，曾有一種被稱為“didymium”的物質曾被認為是一種稀土元素，但後來didymium被證實這是由“釹”和“鐠”這兩種稀土元素組成的混合物，在更進一步的研究中，釓元素和釤元素亦先後被從didymium中分離出來。當然，在莫塞萊所處的年代裡，用於分離稀土元素的“離子交換法”還未被發明。

莫塞萊利用X射線光譜學的方法可以準確地解決上述的化學難題。莫塞萊還預測了原子序數為61的元素的存在，而該鑭系元素先前從未被認為是存在的。1947年，馬林斯基（J.A.Marinsky）、格倫丹寧（L.E.Glendenin）和科里爾（C.E.Coryell）從鈾的裂變產物中發現了61號元素，用希臘神話中的神名普羅米修斯（Prometheus）命名為鉕（Promethium）。

在莫塞萊和他的定律之前，原子序數被認為是半任意序數，其排列序數隨著原子質量增大而增加，但卻不嚴格遵循於此。莫塞萊的發現顯示了原子序數並非任意指定的，而是有著明確的物理基礎。莫塞萊假設元素周期表中每個相連的元素都有一個核電荷，比它的前一個核電荷大一個單位。莫塞萊重新定義了原子序數，並將其描述為“一個特殊的數字標記，幫助將元素在元素周期表內排序成一個精確的升序原子序數序列，使得周期表變得精確（ an ad hoc numerical tag to help sorting the elements into an exact sequence of ascending atomic numbers that made the Periodic Table exact）”。莫塞萊的這一定義後來成為了原子學的構造原理基礎。玻爾指出，莫塞萊定律為盧瑟福和安東尼烏斯·范登布羅克（Antonius van den Broek，荷蘭業餘物理學家及律師，他在1911年第一個提出了元素周期表內的元素與帶電原子核相對應的概念，莫塞萊因此受到啟發並在1913年用實驗數據證明了它）的原子模型提供了完整合理的實驗數據；即原子是由一個帶正電荷的原子核與包圍原子核的若干帶負電粒子（後來被稱為電子）組成，而帶負電粒子的數量與原子核當中帶正電的粒子（後來被稱為質子）數目相同。莫塞萊在他的科研資料里提到了盧瑟福和布羅克的名字，但卻沒提到玻爾，因為玻爾的名字當時在那個領域還是陌生的。如果簡單地把玻爾和約翰內斯·羅伯·里德伯格（Johannes Rober Rydberg，1854-1919，瑞典物理學家、數學家，光譜學的奠基人之一）這二人的公式修改一下，就可以得出莫塞萊經驗上推導原子序數定律的理論證明。

X射線光譜儀的套用

X射線光譜儀是X射線晶體學的基礎。莫塞萊使用的X射線光譜儀工作原理如下所述：用一個玻璃球狀電子管，就像上圖中莫塞萊手中拿的那樣。在真空管內，電子被射向金屬物質（例如莫塞萊試驗當中的純物質樣本），導致元素內電子層的電子電離。反彈的電子會進入內電子層的孔隙，使得發射的X射線光子會有半波束被引出管子裡，通過一個X射線外部屏障的開口。接下來用一個標準的鹽晶體以一定角度進行衍射，可以通過一定距離的真空管上曝光的X射線膠片觀察到攝影線。套用布拉格定律（經過一些對金屬晶體裡原子之間平均距離的猜測，這取決於晶體的密度），使得接下來發射的X射線波長可以被計算出來。

莫塞萊參與了早期X射線光譜儀的設計和改進工作，向利茲大學的威廉·亨利·布拉格（William Henry Bragg，英國物理學家）和威廉·勞倫斯·布拉格（William Lawrence Bragg，英國物理學家）父子二人學習了一些相關技術後，他自己改進了其他一些地方。許多X射線光譜學的相關技術是受可見光分光鏡和光譜圖，用晶體、電離室和照相板代替其在光譜中的類似物的方法所啟發。有時候，莫塞萊發現要用他的設備和真空室去調整光譜儀以探測到低頻的無法穿透紙張或空氣的X射線。

英年早逝

1914年上半年，莫塞萊從曼徹斯特大學離職，打算返回牛津大學並在那裡繼續他的物理研究。然而在1914年8月份，第一次世界大戰爆發了，莫塞萊辭去了牛津大學的工作，選擇入伍，他被安排在英國軍隊里的皇家工程兵部隊（Royal Engineers of the British Army）服役。莫塞萊的家人和朋友試圖說服他不要參軍，但他認為參軍是他的責任。莫塞萊以一名通訊技術軍官的（technical officer in communications）身份隨軍參加了在1915年4月份於土耳其加里波利爆發的加里波利戰役（Battle of Gallipoli）。1915年8月10日，莫塞萊在打電話下達命令時被一名土耳其狙擊手射中頭部，當場死亡。

上圖展示的是由英國皇家化學學會（Royal Society of Chemistry）於2007年在牛津大學湯森大廈的克拉倫登實驗室（Townsend Building of the Clarendon Laboratory at Oxford）豎立的藍色牌匾，以紀念莫塞萊於20世紀早期對從元素中發射X射線頻率研究的先驅地位。

人物評價

莫塞萊陣亡時年僅27歲，在一些科學家看來，如果莫塞萊沒有在戰場上陣亡的話，他可以對原子結構的研究做出更大的貢獻。

尼爾斯·玻爾在1962年說道，盧瑟福的研究“在當時都沒有被認真對待（was not taken seriously at all）”，並且相關研究的“重大改變來自莫塞萊（great change came from Moseley）”。

美國實驗物理學家羅伯特·安德魯·密立根（Robert Andrews Millikan）寫道，“在一項注定要被列為科學史上十幾項擁有最傑出的概念、最熟練的執行和最有啟發性的成果之一的研究當中，一位26歲的年輕人打開了視窗，讓我們可以用一種過去從未夢想過的明確且確定的方法去窺探亞原子的世界。在歐洲爆發的戰爭除了奪去年輕人的生命以外沒有帶來其他任何好處，而單憑這一點（莫塞萊之死）就會成為歷史上最可怕、最無法挽回的罪行之一（"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）。”

近代科學史奠基人之一---喬治·薩頓（George Sarton）寫道，“他的名聲已經建立在如此牢固的基礎之上，而他的記憶則永遠是青蔥的。他是科學界不朽的豐碑之一，如果他能活得更久的話，他會我們帶來更多的知識，他做出的貢獻是如此的重要，而他要超越自身的可能性是如此之小。無論他活了多久，他會永遠因為在26歲那年出版了‘莫塞萊定律’而被人們銘記（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.）。”

美國作家艾薩克·阿西莫夫（Isaac Asimov）寫道，“在他（莫塞萊）已經取得的成就看來...他的犧牲成為了全人類在戰爭中付出的最大代價（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）。”因為莫塞萊在一戰中陣亡，以及之後盧瑟福的積極遊說，英國政府出台了一些政策，即不再允許那些取得突出成就的或者有著遠大前途的科學家被徵召入伍。

阿西莫夫曾作出預測，如果莫塞萊沒有在服役時陣亡，他很有可能會獲得1916年諾貝爾物理學獎，因為那年的化學獎沒有被授予。在那前兩年的，即1914年和1915年的，以及後一年的，即1917年的諾貝爾物理學獎獲得者將使這一說法更為可信。1914年，德國物理學家馬克斯·馮·勞厄（Max von Laue）因為發現了晶體的X射線衍射現象被授予諾貝爾物理學獎，這是在發明X射線光譜儀當中的重要一環。隨後在1915年，威廉·亨利·布拉格（以下簡稱為老布拉格）和威廉·勞倫斯·布拉格這對英國父子因為發現用X射線求解晶體形狀這一逆問題而獲得了諾貝爾物理學獎（老布拉格的另一個兒子羅博特·查爾斯·布拉格[Robert Charles Bragg]在1915年9月2日於加里波利戰役中陣亡）。接下來，莫塞萊使用X射線在已知晶體的衍射去測定金屬的X射線光譜。這是對X射線光譜學的首次套用，亦是離X射線晶體分析法（X-ray crystallography）的創立更近了一步。除此之外，莫塞萊的研究方法和分析方式實質性的支持了原子序數的概念，並為這一概念奠定了堅實的物理基礎。在前人的基礎上，英國物理學家查爾斯·格洛弗·巴克拉（Charles Glover Barkla）因為在試驗中用X射線光譜學發現了從不同元素（特別是金屬元素）當中射出的X射線特徵頻率而獲得了1917年諾貝爾物理學獎。瑞典物理學家曼內·西格巴恩（ Manne Siegbahn）在莫塞萊研究的基礎上繼續深入，他後來因為對X射線光譜學的研究而獲得了1924年諾貝爾物理學獎。莫塞萊的研究發現和上述同時代的人處於同一領域，並且他對原子序數概念的基礎的影響更為深遠。盧瑟福評價莫塞萊的研究時表示“莫塞萊研究生涯開端的這兩年里取得的成就足以配得上一次諾貝爾獎（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）。”

與莫塞萊相關的紀念牌匾被設定在曼徹斯特大學和伊頓公學裡，英國皇家學會（Royal Society）還以他為名設立了一項獎學金。該獎學金的第二任獲得者派屈克·布萊克特（Patrick Blackett）後來成為了英國皇家學會主席，布萊克特同時也是1948年諾貝爾物理學獎的獲得者。

亨利·莫斯萊