【科學史沙龍】二十世紀原子論天光既白

■道耳頓的原子論以原子量為序排列，化學界爭論了將近一個世紀之後，才發現原子裡頭真正的「上帝數字」，是代表原子核裡頭質子數目的原子序。本講次簡述自道耳頓提出原子論之後，化學界如何以此為基礎，逐步揭開原子奧祕的過程。

講師｜臺灣大學化學系名譽教授 陳竹亭
整理撰文｜高英哲

打從道耳頓在 1803 年提出原子論之後，化學界在整個 19 世紀都爭論不斷。諾貝爾化學獎得主奧斯特華德 (Friedrich Wilhelm Ostwald) 是最後一位強烈反對原子論的人，他提出莫耳概念 (mole concept) ，跟支持原子論的波茲曼等人，展開了將近十年的論戰。不過奧斯特華德並非死腦筋的人，當他看到佩蘭 (Jean Baptiste Perrin) 的布朗運動實驗結果之後，他的觀念也就跟著轉變，接受了原子論假設的合理性。

原本的原子論，主張原子是物質不可再分解的最小粒子，但是湯姆森卻在 1897 年，透過陰極射線實驗發現了電子；湯姆森的學生拉塞福又在 1909 年，發現原子絕大部分的質量跟正電荷，都集中在原子中心的原子核。波耳採用拉塞福的原子模型，結合蒲朗克的量子理論，在 1913 年提出他的波耳原子模型，說明以經驗為基礎的芮得柏光譜公式 (Rydberg formula) 為什麼能夠成立，合理地解釋了氫原子光譜和元素周期表。

不過元素週期表的終篇，倘若少了莫塞萊 (Henry Gwyn Jeffreys Moseley) 發現原子序的故事，就顯得不夠完美。莫塞萊在 1913 年進行高速電子撞擊金屬靶的實驗，測量金屬放出的Ｘ光時，發現週期表中同列金屬放出的Ｘ光頻率，與特定正整數數列的平方值之間，有著簡單而奇妙的正比關係。這個數學關係如今稱為莫塞萊定律，各種金屬對應的正整數，正是該金屬的原子序，也就是原子核裡頭的質子數目；質子帶正電荷，因此一個電中性的原子，原子核外必有同樣數目帶負電的電子。莫塞萊的實驗證明，波耳氫原子能階理論在過渡金屬中也適用，原子序就是上帝賦予原子的身分證明。

這些原子論突飛猛進的發展，都集中在 1910 年代 的頭幾年，為原子論帶來天光既白的曙光。可惜莫塞萊在做出這項發現後不久，於第一次世界大戰陣亡，時年僅 27 歲。許多科學家都認為倘若莫塞萊沒有英年早逝，極有可能在 1916 年獲頒諾貝爾獎，日後也必將為原子結構研究做出更大貢獻。