英年早逝的元素理论开创者

凯米

从牛津到曼彻斯特

谈到对人类科学有着巨大贡献的化学元素周期表，很多人会想到门捷列夫，却忽略了另一位杰出的科学家——亨利·莫塞莱。实际上，我们今天所看到的元素周期表，就是依据莫塞莱提出的莫塞莱定律来排序的。让人感到惋惜的是，莫塞莱英年早逝，27岁时死在第一次世界大战的战场上，或许这也是他不怎么被人们熟知的原因吧。

1887年，亨利·莫塞莱生于英国多塞特郡的一个科学世家，他的父亲是牛津大学的生物学家，祖父和外祖父都是英国皇家学会的会员。良好的家庭熏陶，让莫塞莱很小就对自然科学产生浓厚的兴趣，而且，莫塞莱既聪明又努力，所以在求学阶段成绩一直很好，是学校里的明星学生。不过，年轻的莫塞莱并不打算子承父业，他希望将来研究物理学而不是生物学。就读于英国最好的两所学校——伊顿公学和牛津大学之后，已经大学毕业的莫塞莱于1910年来到曼彻斯特大学，在英国著名物理学家欧内斯特·卢瑟福的指导下从事物理学研究。

用放射性元素发电

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。

最重要的发现——莫塞莱定律

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，莫斯里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。

重新理解化学周期表

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，根据元素特征譜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。

英年早逝的物理学家

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。此时，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，两个月后在战场上阵亡。这一消息震动了英国物理学界，英国政府随即修订政策，禁止本国最杰出的科学家参与战斗任务。但无论如何，莫塞莱的生命是无法挽回了。若以莫塞莱以如此年轻的年纪所建立的成就而论，他的阵亡算得上是人类战争史上最令人惋惜的一场损失了——毕竟，他揭示了化学元素的本性，他本可以像马克思·普朗克和爱因斯坦一样伟大。