[物理史] 莫斯利（Henry G. J. Moseley）在戰爭中陣亡了

莫斯利（Henry G. J. Moseley）在戰爭中陣亡了
國立臺灣大學物理學系 楊信男教授、蕭如珀
（譯自APS News，2012年8月）

莫斯利（Henry G. J. Moseley）

世界各地學習科學的學生都很熟悉以化學元素的特性和原子序為基礎的現代週期表，不過，早期週期表的組織架構卻是鬆散許多；例如，1789 年，拉瓦節（Antoine Lavoisier）將他 33 種化學元素表分類為氣體、金屬、土和非金屬。但是化學家都期盼能有一個顯示更精確的分類架構。

1869 年，門得列夫（Dmitri Mendeleev）和他的前輩對我們現代的元素週期表提出一個更好的架構，他們將其按照原子質量排序。可是，這樣還是會引發他將有些元素如何在表上排列的爭議。例如，他基於元素的物理和化學特性，將原子序 27 和 28 分別給予金屬鈷和鎳，雖然鈷的原子質量稍重，嚴格來說應該排在鎳之後。那是他直覺的躍進：門得列夫是基於該兩種元素已知的化學和物理特性做了他的決定。 

氬和鉀的位置，以及稀土金屬的排序也出現不規則。當化學家發現化學同位素存在時，他們了解到原子的質量並非周期表排列最理想的準則。一個年輕的英國物理學家莫斯利（Henry G. J. Moseley）提出了在科學上更嚴密的分類架構。

1887 年，莫斯利出生在英格蘭西南多塞特（Dorset, England），家世很好，父親亨利‧莫斯利（Henry Nottidge Moseley）是生物學家，牛津大學的教授；母親是生物學家傑弗瑞（John Gwyn-Jeffreys）的女兒。因此，他早期對動物學感興趣，以及在學業上出類拔萃都是很自然的事。他在夏日田野寄宿學校（Summer Fields School）是明星學生，獲得獎學金到依頓（Eton）中學就讀，1910 年，又繼續到牛津大學三一學院取得學士學位，之後加入位於曼徹斯特大學的拉塞福實驗室。一開始他帶物理實驗，做助教的工作，但很快地便改做研究助理。

起先，莫斯利著手改進 X 射線光譜術，這在當時才剛被採用。光譜儀是由一個玻璃真空管所組成，電子在管內被射向金屬標靶，例如鈷和鎳。那些電子會放射出在 X 射線範圍內的光子，附在真空管外部的 X 射線感應膜會因此產生感應的光譜線。莫斯利結合此新技術和布拉格的繞射定律（Bragg’s law of diffraction），來測定特定元素的各式 X 射線光譜。在過程中，他發現一個元素的 X 射線光譜中明確的光譜線和它的原子序之間精確的數學關係，我們現在稱之為莫斯利定律（Moseley’s law）。

因此，元素的原子序並不像物理化學家最初想的那麼沒有章法，莫斯利的研究對於門得列夫之前的直覺提供了確切的實驗基礎，讓元素在週期表的排序更精確。

事實上，莫斯利可以利用此數學關係，正確地指出週期表上的缺口，預測出還應該有原子序為 43、61、72 和 75 的元素。所有這些元素陸續被發現：有兩個放射性合成元素鎝（Tc）和鉅（Pm），都在核反應器中被造出；另外有兩個自然產生的元素鉿（Hf）和錸（Re）。（值得注意的是，門得列夫還早了 50 年預測出當時找不到，我們現在知道是鎝的元素。）莫斯利的研究還證實，在稀土金屬的鑭系中僅有 15 個元素。

1914 年，莫斯利離開拉塞福在曼徹斯特的實驗室，準備回到牛津繼續他的物理研究，但第一次世界大戰的爆發，完全改變了他的計畫。他被徵召加入英軍皇家工程師，在土耳其好幾個月的加利波利戰役中擔任通訊技術官員。

1915 年 8 月 10 日，莫斯利正在發送一軍事命令時，一顆狙擊手的子彈打中了他的頭，奪走了他的生命，時年 27 歲。若以他如此年輕的所有成就而論，艾西莫夫（Isaac Asimov）說莫斯利的陣亡「很可能是此次戰役讓人類付出最大代價的單一死亡」。的確，因為此事件，英國政府訂定新政策，禁止國家最傑出的科學家擔任現役的戰鬥任務。

艾西莫夫還推測說，假如莫斯利還活著的話，他很可能隔年就會得到諾貝爾獎了。的確，當時諾貝爾物理獎的趨勢似乎偏愛和莫斯利的研究有關的議題：評審委員會於 1914 年選中 X 射線晶體繞射； 1915 年，頒給第一次使用 X 射線光譜術來研究結晶體的結構；而 1917 年獎給測定不同元素所放射出的 X 射線頻率（1916 年的物理和化學獎從缺。）

莫斯利的研究當然一樣出色，它並且以堅強的實驗資料支持拉塞福的原子模型，後來波耳據以改進。這個模型說明原子核所含的正電核和週期表上的原子序相同，但人們很容易忘記此模型並非立即被科學社會所接受。波耳於 1962 年說：「我們可以看得出來，拉塞福的研究當時並沒有認真地被人接受，我們現在無法理解，但當時就是無人提及。扭轉情勢的是莫斯利。」

誰知道，假如那位有才氣的年輕科學家在戰爭中存活下來，他會有什麼是達不到的？

原文刊載於物理雙月刊2013年8月號35卷第4期，感謝楊信男教授同意授權刊載。

系列文章100篇已集結成冊，由五南出版，書名為《物理奇才奇事》。