二十世紀原子論天光既白

道爾吞在1803年提出原子論時是以原子量為序排列。有近一世紀的爭論原子是否存在。今天的週期表是依「原子序」的正整數排列,元素週期表的終篇若是沒有莫斯利發現原子序的故事就不夠完美。

原子序是原子中的第一個上帝數字,代表各種元素原子其原子核中的質子數目。質子帶正電荷,當然電中性的原子中,原子核外就有同樣數目帶負電的電子。所以原子序就是上帝決定的原子身分證明!
1913年,27歲的莫斯利進行高速電子撞擊金屬靶的實驗,測量金屬放出的X光。他發現了週期表中同列的金屬,測得其放出的X光頻率神奇的與特定「正整數」數列的平方值之間有簡單的正比關係。莫斯利洞悉了上帝的何種奧密呢?莫斯利正是第一個用實驗證明波爾氫原子能階理論在過渡金屬中也適用。他發現的數學方程式現在稱為「莫斯利定律」,而各金屬靶對應到的正整數正是該金屬的原子序。莫斯利的英年早逝與諾貝爾獎擦身而過,莫非洞燭上帝機先的真會折損天年?

撰文:高英哲

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。

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。

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日期: 2017.01.23(二) 主題: 近代化學的發展 講題: 二十世紀原子論天光既白 地點: 臺大思亮館國際會議廳