亨利·莫斯利

**亨利・格溫・傑弗里・莫斯利**（英語：**Henry Gwyn Jeffreys Moseley**，1887 年 11 月 23 日 —1915 年 8 月），又譯**莫色勒**，英國物理學家和化學家。莫斯利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。莫斯利定律通過對元素週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・波耳為重構氫原子結構而創立了波耳模型的同時，莫斯利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。這一理論完善了歐尼斯特・拉塞福和安東尼斯・范登布勒克的模型，後者設想元素週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，莫斯利定律仍得到物理學界的普遍認可。

第一次世界大戰爆發後，莫斯利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，如果莫斯利能夠倖存到 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・莫斯利出生於英國南部海岸的韋茅斯。他的父親亨利・諾替吉・莫斯利（Henry Nottidge Moseley，1844-91）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。莫斯利的母親艾瑪貝爾・格溫傑・弗里斯・莫斯利，是生物學家和貝殼學者約翰・格溫傑・弗里斯的女兒。

亨利莫斯利在 Summer Fields 學校（至今該校的一個組織仍以莫斯利命名）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，莫斯利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，莫斯利進入曼徹斯特大學，在物理學家歐尼斯特・拉塞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，莫斯利開始全力投身於科研工作，成為了一名科研助手。1913 年 11 月，拉塞福曾邀請莫斯利一起回到牛津大學，並提供他良好的實驗室資源，但莫斯利婉拒了導師的邀請。

## 對物理學和化學的貢獻

莫斯利在 1912 年的測試 β 粒子能量的實驗中發現，放射性物質發生 β 衰變時會產生高電位能，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 射線繞射法觀察和測量了多種金屬化學元素的電磁波譜。這一利用布拉格繞射來確定 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斯利定律。

在莫斯利的這一發現之前，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週期表中，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。但是在莫斯利的 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，莫斯利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，莫斯利也顯示了元素週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。在莫斯利去世前，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，他預計到元素週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。莫斯利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，莫斯利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週期表中鋁元素（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。而莫斯利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」。但在莫斯利的年代，人們尚未發明出通過「離子交換法」來分離稀土元素。

莫斯利在早期的 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。莫斯利還預測了編號為 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，莫斯利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：「從莫斯利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。」 正是受到一戰中莫斯利陣亡事件的影響，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，如果莫斯利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 射線的繞射現象。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，莫斯利利用 X 射線繞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，莫斯利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 射線繞射現象的發現而得獎。莫斯利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。歐尼斯特・拉塞福如此評價莫斯利的成績：「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 歲就英年早逝的莫斯利假如能夠活下來，他必將為原子結構的研究做出更大的貢獻。1962 年尼爾斯・波耳說道：「你們看到當初拉塞福的工作（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斯利。」

鑑於莫斯利的成就，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

## 腳註

## 參考文獻

## 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（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） - Henry Moseley X-Ray Imaging Facility