亨利·莫塞萊

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），英國物理學家和化學家。莫塞萊對物理學和化學做出的最重大的貢獻就是打破先前物理學理論的成見，發現了原子序數這一概念。莫塞萊定律通過對元素周期表中的元素的正確排列，修正了化學中的眾多基礎概念。

當尼爾斯·玻爾為重構氫原子結構而創立了玻爾模型的同時，莫塞萊定律也首次通過實驗驗證了該模型，極大地推動了物理學的發展。這一理論完善了歐內斯特·盧瑟福和安東尼斯·范登布勒克的模型，後者設想元素周期表中的元素序數等於原子核中的有效核電荷數量。至今為止，莫塞萊定律仍得到物理學界的普遍認可。

第一次世界大戰爆發後，莫塞萊毅然離開了牛津大學的研究室，成為英軍的皇家工兵的一名志願兵。1915年4月，他作為負責電話通訊的軍官，受命前往土耳其的加里波利半島。同年8月10日，他在加里波利之戰中被敵軍開槍擊中死亡，年僅27歲。當時多位人士都感慨，如果莫塞萊能夠倖存到1916年，他將極有可能獲得諾貝爾物理學獎。

## 生平

1887年，亨利·格溫傑·弗里斯·莫塞萊出生於英國南部海岸的韋茅斯。他的父親亨利·諾替吉·莫塞萊（Henry Nottidge Moseley，1844-1891）是一名牛津大學的解剖學和生理學教授，並曾經參加過著名的挑戰者號科考活動。但在小亨利4歲時，他父親就因病去世。莫塞萊的母親艾瑪貝爾·格溫傑·弗里斯·莫塞萊，是生物學家和貝殼學者約翰·格溫傑·弗里斯的女兒。

亨利莫塞萊在Summer Fields學校（至今該校的一個組織仍以莫塞萊命名）時就以學業優異而廣受關注，此後也獲得皇室獎學金，升入著名的伊頓公學。1906年，莫塞萊進入牛津大學的三一學院，獲得了學士學位。1910年大學畢業後不久，莫塞萊進入曼徹斯特大學，在物理學家歐內斯特·盧瑟福的指導下擔任助教工作。在曼大的第一年，他擔任助教，將主要精力都投入了教學工作，但從第二年起，莫塞萊開始全力投身於科研工作，成為了一名科研助手。1913年11月，盧瑟福曾邀請莫塞萊一起回到牛津大學，並提供他良好的實驗室資源，但莫塞萊婉拒了導師的邀請。

## 對物理學和化學的貢獻

莫塞萊在1912年的測試β粒子能量的實驗中發現，放射性物質發生β衰變時會產生高電勢能，從而發明了第一個核電池，但是他無法製造出一百萬伏的能量來阻停β粒子。

1913年，莫斯利利用水晶X射線衍射法觀察和測量了多種金屬化學元素的電磁波譜。這一利用布拉格衍射來確定X射線波長的方法，是物理學中對X射線光譜的開創性的利用。莫斯里發現實驗中測得的X射線波長與X射線管靶中的金屬元素原子數之間有系統性的數學關係。這被物理學界稱為莫塞萊定律。

在莫塞萊的這一發現之前，諸如俄國著名化學家門捷列夫在內的化學界普遍認為化學元素的序數由原子量所決定。在門捷列夫創製的元素周期表中，他調整了部分元素的位置。舉例來說，儘管金屬鈷和鎳這兩種元素的原子量幾乎相等，但根據兩者的物理和化學屬性，門捷列夫分別將其原子序數定義為27和28。事實上，鈷的原子量略大於鎳，如果根據原子量排序，那麼鈷應當排在鎳之後。但是在莫塞萊的X射線光譜實驗中，他根據波長來排列這兩種元素，就很正確地得出了27（鈷）和28（鎳）這個排序結果。由此，莫塞萊的實驗成果說明化學元素的序數並非化學家的主觀推測，而是依據X射線實驗的客觀結果所獲得的。

此外，通過實驗，莫塞萊也顯示了元素周期表中有若干暫未被發現的空缺位置，如43、61、72和75。現在，這些序數的元素均已被發現，分別是兩種人工放射性元素（「鎝」、「鉕」）和兩種稀有元素（「鉿」、「錸」）。後兩種稀有元素直到1923年和1925年才被科學家發現。在莫塞萊去世前，上述四種元素都不被世人所知，甚至其存在也曾存疑。根據門捷列夫的預測，他預計到元素周期表中有些空白位置的元素，之後果然被「鎝」所填補。而捷克化學家博胡斯拉夫·布勞納也預測到了「鉕」的存在。莫塞萊的實驗證實了兩個尚未發現的元素的序數分別為43和61。此外，莫塞萊也補充預測了兩個原子序數為72和75的元素，並極有力地證明了在周期表中鋁元素（13號）和金元素（79號）之間不再存在任何空白。

這個有關是否存在更多未知元素（所謂「遺漏」的元素）的問題曾經長期困擾著全球的化學家，尤其是在大量鑭系稀土元素被發現之後。而莫塞萊成功地證明了上述鑭系元素的數量從「鑭」到「鑥」不多不少只有15種。在20世紀初期的國際化學界，鑭系元素的原子序數排列是個離解決還很遠的難題。當時的化學家尚不能提煉出各種鑭系元素的純物質或者鹽溶液，有些時候也無法分辨兩種稀有元素混合物與純物質。舉例來說，19世紀的化學家曾經提煉出一種稱作「didymium」的元素，但多年後才被證實它其實是兩種類似的稀有元素的混合物，這兩種元素分別被後人命名為「釹」和「鐠」，其含義分別為「新的雙生兒」和「綠色的雙生兒」。但在莫塞萊的年代，人們尚未發明出通過「離子交換法」來分離稀土元素。

莫塞萊在早期的X射線光譜實驗中採用的方法可以解決上述這些困擾了化學界相當久年份的問題。莫塞萊還預測了編號為61的元素的存在，這種鑭系元素當時並未被發現。多年之後，這種元素在核反應過程中被人工合成，並被命名為「鉕」。

## 戰死及身後

1914年上半年，莫塞萊辭去了曼徹斯特大學的職位，計劃回到牛津大學繼續他的物理學研究。但1914年8月，第一次世界大戰爆發，他放棄了這份工作，並報名參加英軍的皇家工兵部隊。1915年4月開始的加里波利戰役中，他在軍中司職通訊技術官員。在一次用電話傳遞軍事命令的時候，他被一名土耳其的狙擊手擊中頭部而犧牲。美國著名作家阿西莫夫曾寫道：「從莫塞萊已經取得的成就來看，……他的死亡可能是這場戰爭中對全體人類而言代價最為慘重的犧牲。」正是受到一戰中莫塞萊陣亡事件的影響，英國政府推出了一項政策，不再准許那些成就突出或者大有前途的科學家被招入軍中服役。

阿西莫夫還大膽預測，如果莫塞萊不是在當年犧牲的話，那麼極有可能被授予1916年度的諾貝爾物理學獎（該年度的物理學獎和化學獎最終都未頒出）。事實上，過往的兩屆（1914、1915）和之後的一屆（1917）的物理學獎的獲獎情況也可以佐證阿西莫夫的猜想。1914年的諾獎頒發給了德國物理學家馬克斯·馮·勞厄，以表彰他發現的晶體中X射線的衍射現象。這一成果直接決定了X射線光電子能譜的誕生。緊接著的1915年，英國的威廉·亨利·布拉格和威廉·勞倫斯·布拉格這一對父子因為利用X射線觀測晶體結構這一技術獲得了當年的諾貝爾物理學獎。此後，莫塞萊利用X射線衍射實驗測量了多種金屬元素的X射線波長。這是X射線光電子能譜的首次利用，也是創立X射線晶體學的關鍵一步。此外，莫塞萊有關原子序數的研究和分析是當時物理學上的重大突破。基於這些前人的研究成果，1917年諾貝爾物理學獎獲得者查爾斯·巴克拉因其對多種金屬元素中發現的X射線衍射現象的發現而得獎。莫塞萊的研究領域與上述幾位獲獎的物理學同行屬於同一領域，而且他對原子序數的發現所帶來的影響更為深遠。歐內斯特·盧瑟福如此評價莫塞萊的成績：「他研究生涯起步的這兩年的研究已經足以為他帶來一座諾貝爾獎盃。」

在很多科學家看來，在27歲就英年早逝的莫塞萊假如能夠活下來，他必將為原子結構的研究做出更大的貢獻。1962年尼爾斯·玻爾說道：「你們看到當初盧瑟福的工作（關於核原子）並未收到重視。我們今天無法理解當初為何這一研究根本未被看重。當時根本沒有任何地位。而最偉大的變化來自莫塞萊。」

鑑於莫塞萊的成就，曼徹斯特大學和伊頓公學內有紀念他的牌匾以及皇家學會設立的一項獎金。該獎金的第二任獲獎者派屈克·布萊克特後來也成為了皇家學會的主席。

## 參閱

- 拉塞福散射
- 波耳模型

## 外部連結

- Moseley's original article, with illustration
- Annotated Bibliography for Henry Moseley from the Alsos Digital Library for Nuclear Issues
- Moseley plot of characteristic x-rays* Brief biography - Henry Moseley X-Ray Imaging Facility

## 基本資料

- 出生日期：1887年11月23日
- 出生地：英國多塞特郡韋茅斯
- 逝世日期：1915年8月10日
- 逝世地：鄂圖曼帝國蓋利博盧
- 國籍：英國
- 研究領域：物理學、化學
- 知名於：原子序數、莫塞萊定律
- 受影響自：歐內斯特·盧瑟福