亨利·莫塞莱

1913 年以前，「原子序数」只是一个座次：化学家把元素按原子量从轻到重排成一队，性质对不上时就把两种元素对调一下，再给每个座位编个号。这个号码背后有没有物理，没人说得清。

亨利·莫塞莱把几十种元素逐一装进 X 射线管，拍下它们各自发出的特征谱线，发现频率的平方根随元素的座次一格一格等距地往上走。座次从此有了实体：它就是原子核上带几个单位的正电荷。做完这件事，他 26 岁；一年多以后，他死在加里波利。

一个动物学家的儿子

他 1887 年生于英格兰南岸的韦茅斯。父亲 H. N. 莫塞莱是牛津大学的解剖与生理学教授，年轻时随「挑战者号」做过环球海洋考察，在莫塞莱四岁那年去世。

他从伊顿公学以奖学金生身份入学，1906 年进入牛津大学三一学院。据卢瑟福在讣告里回忆，莫塞莱毕业前一年就已拿定主意要做物理研究，专程跑到曼彻斯特来找他谈。1910 年一毕业，他就去了曼彻斯特，在卢瑟福的系里当讲师兼演示员。

曼彻斯特：从 β 粒子到晶体

最初两年他做的是放射性：测镭 B、镭 C 每次衰变放出多少个 β 粒子；把一小点镭封在高真空里，让它靠自己放出的 β 粒子把自己充到十万伏以上；又与法扬斯一起测出锕系里一个新产物的寿命，半数在五百分之一秒内衰变掉。两年后他辞去讲师职务，拿一份研究奖学金专心做实验。

1912 年，劳厄发现晶体能让 X 射线发生衍射，消息让曼彻斯特的人坐不住了。莫塞莱拉上 C. G. 达尔文（博物学家查尔斯·达尔文的孙子），测晶体在不同角度上散射出多少 X 射线、是什么性质。几乎同时，利兹的 W. H. 布拉格在反射里看到了对应于特定谱线的尖峰。卢瑟福在讣告里写道，莫塞莱与达尔文证实并扩展了这个结果，第一次准确画出了铂靶 X 射线管的特征谱。

这是 X 射线谱学的起点。下一步是把它变成一件能对准任何元素的工具。

一张照相底片上的阶梯

莫塞莱改用照相底片代替布拉格的电离室。X 射线管里装一列小靶，架在一辆小车上，用磁铁或丝线拖着换靶，不必每次拆管。射线穿过一道细缝，打到一块亚铁氰化钾晶体上，按布拉格条件反射到底片上：

$$n\lambda = 2d\sin\theta$$

每张底片大多只曝光五分钟。1913 年 12 月的第一篇论文里，他拍了十二种元素：从钙到锌的十种连成一串，只缺一个钪，另外加上钽和铂。每种元素的谱都是一强一弱两条线，强的叫 α，弱的叫 β，一种比一种往短波方向挪一点。

他把 α 线的频率 $\nu$ 除以里德伯频率 $\nu_0$，再开平方，得到一个量 $Q$。$Q$ 从一种元素到下一种，每次正好增加 1。

钴和镍是一个例外，但不是规律的例外。按原子量，钴比镍略重，应当排在镍后面；化学家却一直按性质把钴排在前面。$Q$ 站在化学家一边：钴 26.00，镍 27.04。莫塞莱在论文里写：原子量的变化「看上去很随意」，所以原子量的次序出个例外并不奇怪；真正整齐递增的，是另一样东西。

原子序数就是核电荷

那样东西是什么？论文给的回答是：

我们在这里得到了一个证明：原子里有一个基本的量，从一种元素到下一种，按整齐的台阶递增。这个量只能是中心那个带正电的核上的电荷。

卢瑟福 1911 年从 α 粒子散射估计过，核电荷大约是原子量的一半；巴克拉从 X 射线散射估计过，原子里的电子数也大约是原子量的一半。原子量平均每次涨两个单位，莫塞莱的 $Q$ 每次涨一个——他据此认为核电荷每次恰好多一个单位，也就是说，核电荷数等于元素在周期表里的座次。他把这个座次称为原子序数，并注明：这个想法最早由荷兰人 van den Broek 提出，玻尔也用过。

化学性质由原子序数决定，原子量只是它的一个复杂函数——这是他据此下的判断。

和玻尔的一次对账

同一年，玻尔刚在《哲学杂志》上发表原子模型的第一部分。莫塞莱把自己的数据直接拿去和它比。

实验给出的是

$$\nu = \frac{3}{4}\,\nu_0\,(N-1)^2$$

而玻尔的理论里，电子从第 2 定态落到第 1 定态，频率正比于 $\frac{1}{1^2}-\frac{1}{2^2}=\frac{3}{4}$，前面的常数又恰好是玻尔用来解释氢光谱的那一个。X 射线的波长比氢的可见光短两千倍左右，系数却对得上，莫塞莱在论文里称之为「值得注意」。

他没有把话说满。他当时设想的是一整圈电子一起跃迁，论文紧接着指出这在能量上有「严重的困难」，也解释不了那条较弱的 β 线，「理论大概需要修改」。不过他从数据里读出了一件更一般的事：各种元素的电子角动量相同——这正是玻尔理论的基础。对刚问世的玻尔模型来说，这是一次来自完全不同波段的检验。

从铝到金：只剩三个空位

1913 年底莫塞莱迁回牛津，在汤森德的电学实验室里借地方继续做。长波段的射线连铝窗和几厘米空气都穿不过，他专门造了一个能抽真空的分光计，窗口用金箔匠用的肠衣膜；稀土氧化物抹在粗糙的镍板上当靶，其中几种是克鲁克斯送的。

1914 年 4 月的第二篇论文在第一篇之外又测了三十多种元素，范围拉到从铝到金。K 系一律满足 $Q \approx N-1$，L 系满足 $Q \approx N-7.4$。他在图上把元素一格一格排好，只有三处与原子量次序不符：氩与钾、钴与镍、碲与碘，每一处都是化学性质说对了、原子量说错了。

图上还留了三行空白：钼与钌之间（43 号）、钕与钐之间（61 号）、钨与锇之间（75 号）。论文结论说，铝与金之间的已知元素占满了其余所有的号码，「还有三种、而且只有三种」元素有待发现，它们的 X 射线谱可以预先算出来，「应该不难找到」。

今天通行的说法常常是他预言了四个空位：43、61、72、75。这与 1914 年论文的原文有出入。原文按 Welsbach 当时的分离结果，把铥当成两种元素、占了两格。据 Trimble 与 Mainz 转引 Heilbron 所编的书信集，莫塞莱后来在给卢瑟福和赫维西的信里更正了这一点，空位于是变成 43、61、72、75 四个。本页两种说法并列，以原文为准的是「三个」。

1914 年，巴黎的稀土化学家于尔班带着自己多年分离出来的样品到牛津，请莫塞莱用 X 射线鉴定。卢瑟福在讣告里记下了这次来访，并说结果没有发表。据 Trimble 与 Mainz 的叙述，于尔班认为含有新元素「celtium」的那份样品，在莫塞莱的底片上只显出已知稀土的谱线。

1915 年 8 月 10 日

1914 年夏天，他随英国科学促进会去澳大利亚开会，在墨尔本参加「原子结构」的讨论，在悉尼讲稀土的 X 射线谱。战争爆发，他放下实验回国参军，得到皇家工兵的军官委任。

卢瑟福的讣告这样记下后来的事：他被派作第 38 旅的信号官，1915 年 6 月 13 日开赴达达尼尔；8 月 6 日与 8 日在新登陆的激战中都在场；10 日，土耳其军队从侧翼只隔两百码攻来，他正在打电话向师部传令，一颗子弹穿过头部，当场身亡。他 27 岁。

他的死改变了什么

卢瑟福的讣告以一段对军方的批评收尾：

这是一场国家的悲剧：我们的军事组织在战争之初如此僵硬，除了少数例外，竟只能把科学家主动提供的服务用在火线上当战斗兵。

此后流传很广的一种说法是，莫塞莱之死直接促使英国改变政策，不再把有前途的科学家派上前线。2015 年《自然》上 Min-Liang Wong 的通信标题就是「物理学家之死改变了战时政策」；科学史研究所 2020 年的文章写得更肯定：卢瑟福等人向陆军部请愿成功，「再也没有一位有前途的科学家被有意派去打仗」。

也有作者措辞谨慎。Trimble 与 Mainz 2017 年的论文只写「有人声称」他的死几乎立即影响了英国关于科学家战时服役的政策，没有替这一说法背书。本页没有查到当时具体的政令或陆军部文件，这一因果关系究竟到什么程度，留给读者判断。

诺贝尔奖：一个只能假设的问题

诺贝尔奖不颁给已故者。据诺贝尔奖官网的说明，1974 年以前的规则是：当年 2 月 1 日以前已获提名、之后才去世的人仍可获奖。所以 1915 年是唯一可能的一年：诺贝尔奖提名档案显示，这一年阿伦尼乌斯把莫塞莱、W. H. 布拉格与 C. G. 达尔文三人一并提名了物理学奖，也提名了化学奖。评选尚未结束，莫塞莱已经阵亡。那年 11 月，物理学奖给了布拉格父子，化学奖给了维尔施泰特。

他如果活着会不会得奖，是只能推测的问题。1924 年，瑞典皇家科学院诺贝尔物理学委员会主席 Gullstrand 在给西格巴恩的颁奖词里回顾 X 射线谱学时说：莫塞莱「还没来得及获奖就倒在了达达尼尔」，但他的研究让人注意到了巴克拉的功绩，巴克拉因此在 1918 年被提名，「随即获奖」。Trimble 与 Mainz 转述科学史家 Friedman 的看法：授给巴克拉的 1917 年奖，某种程度上混合了对莫塞莱的追念与对英国物理学的表彰。

同一篇论文也提醒了另一面：关于他的赞誉很多写于他刚死之后，「需要照此来评估」；把他的死称为一战中科学上最大的损失时，「我们也无从知道别人若活下来会做成什么」。

身后

他的方法很快被别人接过去。瑞典的西格巴恩把 X 射线波长的测量精度提高到莫塞莱当年的约一千倍，找到了 M 系、N 系谱线，获 1924 年诺贝尔物理学奖。

他留下的空位一个个被填上：72 号铪 1923 年在哥本哈根找到，鉴定靠的正是 X 射线谱；75 号铼 1925 年发现；43 号锝与 61 号钷没有稳定同位素，要等到 1937 年和 1945 年才分别在加速器靶和反应堆产物里被认出来。

今天的周期表按原子序数排列，教科书里「原子序数等于质子数」这句话，源头就在他那两篇加起来二十页的论文里。