莫斯利原子序数的测定

马克斯·冯·劳厄（Max von Laue）对X射线衍射的伟大发现的最早重要成果之一是它用于验证元素的原子序数理论。这是由H·G·J·莫斯利于1913年底在曼彻斯特完成的，当时他测量了从钙到锌的元素的K光谱频率。讲述这是如何发生的可能很有意思，在描述这一点时，我建议不要坚持一条规则，即在公布之前，任何发现都不可能被宣布。在我看来，通过记录实验室中普遍存在的观点，以及在任何出版物出版前几个月所持的信念的逐渐增强，可以得到更公正的描述。

由于经典力学和量子理论之间的冲突，现在任何人都很难意识到物理学家在那些日子里所面临的困难。正如我们现在认识到的那样，它们似乎并不是相辅相成的，而是呈现出不可能的矛盾。因此，在X射线的情况下，J.J.Thomson认为它们是直接的电磁波。他计算了它们如何被物质散射，他的预测得到了巴克拉的满意验证。另一方面，X射线产生的电离使电子的速度如此之高，这显然与当时公认的波理论相矛盾。确实，有一段时间，W.H.布拉格倾向于认为X射线一定是某种微粒。那时候，我们就是在这种相互矛盾的气氛中工作的。

直到1912年底，卢瑟福在曼彻斯特的实验室几乎完全致力于放射性研究。这项工作涵盖了许多领域，但最重要的无疑是原子核的发现。通过计算主要由盖革和马斯登进行的散射α粒子的闪烁，卢瑟福对其统计分布的出色计算得到了验证，也可以大致确定核电荷，金约为100个电子，铝约为10个电子。尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）第一次来到曼彻斯特正是在这个时候，他对经典理论局限性的深刻理解极大地影响了我们的思考。他确实开始了他的氢光谱理论，但起初，尽管它看起来最有希望，但我们无法判断它会扩展到什么程度。

当我们第一次听说劳厄的发现时，它显然是最重要的，但对于X射线的性质，仍然存在着相互矛盾的观点，我们几乎不知道接下来会发生什么，也不知道会与原子核的性质有任何联系。莫斯利于1910年来到曼彻斯特，和其他实验室一样，他一直在研究放射性课题，但现在他提议从事X射线衍射研究，将其视为物理学中最令人兴奋的新领域，我同意与他一起从事这项工作；我们一点也不知道结果会是什么。当我们第一次接触卢瑟福时，他显然很沮丧，因为曼彻斯特没有人对X射线实验技术了解得太多，所以与其他实验室相比，我们将受到严重的限制，因为这些实验室是我们熟悉的研究对象。然而，我们决定继续前进，特别是要超越弗里德里希和克尼平首次发现衍射的摄影方法。在我们看来，电离方法的优点是能够获得定量测量，而这对于真正理解这个主题是必要的。

与莫斯利合作是一次令人印象深刻的经历。毫无疑问，他是我见过的工作最努力的人。他在工作中有两条原则。第一条是，当一个人开始做实验时，在实验完成之前，他不能停下脚步。第二条是，当一个人开始实验时，他不能停下来，直到实验结束。当然，这里没有固定的饭菜，大部分晚上都在工作。事实上，莫斯利的专长之一就是知道凌晨3点在曼彻斯特哪里可以用餐。尽管有这些繁琐的规则，但与他合作是最令人愉快的，在我们关于这个主题的基本原理的讨论中，始终有一种持续的刺激。

我们感兴趣的是X射线的一般特征，尤其是我们倾向于接受W·L·布拉格提出的白色X射线的想法。我们还采用了他的方法来研究大晶体平面的斜反射。我们合作过的两个主要的是岩盐和亚铁氰化钾，都大约5厘米见方。在对布置进行了各种更改后，工作主要是将晶体安装在转台的轴上。它通过一条很窄的狭缝暴露在来自铂阳极的窄X射线束下，检测是在一个电离室中进行的，电离室设置在转台上，角度是晶体的两倍。为了用我们的窄缝获得强大的效果，我们使用了一个充满氦气的窄电离室，它的电位升高到了火花的边缘。起初我们有很多关于X射线技术的知识要学习，但通过长期的各种实验，我们确信我们正在研究的射线与白光完全相似。

由于采用了非常精细的狭缝，我们在一个方面很不走运，因为起初我们完全是碰巧没有将仪器设置在能够反射铂的任何特征光线的位置。然而，不久之后，当W.H.布拉格访问曼彻斯特时，他告诉了我们关于它们的情况，然后我们可以很容易地验证他的工作，当然，我们可以识别不同的光谱阶数，这比我们能够分辨出白色X射线要容易得多。还有一点值得一提，因为W.L.Bragg还没有计算出岩盐的晶体结构，所以绝对波长的不确定性可能高达1/2。然而不久之后，他解决了这个问题。

当我们从事这项工作时，玻尔一直在发展他的伟大的光谱理论，随着时间的推移，出现了各种X射线光谱可能类似于光谱，但由原子内部电子贡献的可能性。因此，莫斯利开始测定这些波长，但我花了一些时间计算预期的光学效果，我决定继续下去，因为莫斯利现在很有信心，他可以自己完成这项工作。

至于我自己的工作，我们做了一组实验，结果特别有趣；这是对反射光束强度与初级光束强度之比的确定。原子阵列效应的一般计算并不简单，包括对白色X射线的各种反射阶数的解纠缠，但它们所涉及的仅仅是光学衍射理论的数学。结果发现，反射光线的铅笔不可能超过6“宽泛。现在即使有人假设反射在这个范围内是完美的，但最慷慨的估计是，反射的总量还不到我们反复测量的十分之一。计算是基于这样的假设，即每个原子都独立于其相邻原子散射光线，因此有必要对其进行检验。”但是这证明了这样的结果将进一步削弱光束。此外，在第二次计算中，散射被证明与单个原子的散射系数f成正比，而在之前的计算中，它与f成正比²似乎有证据表明，这最后一个答案通常是正确的。正是这些结果导致了许多年后对不完美晶体及其初级和次级灭绝的研究。

回到莫斯利的工作中，我专心致志地跟着他，经常去他的房间，并注意到几乎每次我这样做，实验看起来都完全不同；这并没有让我感到惊讶，因为我知道，如果他想到任何可能的改进，无论多么微不足道，他总是随时准备把一切都搞糟。考虑到我们以前的经验，起初他花了很多时间使用电离方法。但最终他转向了摄影，他发现为了自己的目的，摄影要容易得多。他有一个大玻璃管，里面有一条铁路，铁路上有从钙到锌的元素块，沿着车厢排成一行。它的两端有旋塞阀，每个旋塞阀的内端都装有一个卷轴，这样他就可以来回移动车厢，而不会损失真空。因此，每种元素都可以作为反阴极依次使用，使其与X射线的阴极相对，也与射线出现的狭缝相对。然后这些射线落在他的晶体上，以适当的角度反射到照相底片上。结果，这张照片在有关这一主题的书籍中广为人知。在此之前，玻尔已经解释了氢谱与里德堡常数的关系，他推测K谱可能与简单氢谱基本上是一样的，尽管这在波长已知之前无法验证。然而，将这些想法应用到他的照片中，莫斯利立即可以说，他的元素的核电荷由整数组成，精确度相当高，从钙的20到锌的30。

在曼彻斯特完成这项工作后，他于1914年初搬回了牛津的家，在牛津大学物理实验室（克拉伦登实验室）工作，通过研究较重元素的L光谱，继续在那里进行实验。因此，他完成了建立从氢到铀的原子序数原理的伟大任务。他及时完成了这项工作，加入了当年访问澳大利亚的英国协会党。但战争开始了，他尽快回家。他接受了皇家工程师的委任，被派往加利波利。在那里，他在一次着陆中被杀，这是一场个人悲剧，也是科学进步的一场巨大悲剧。