原子序数和元素的价态

故事讲到现在，似乎还没有和周期性联系起来。要等到英国物理学家莫塞莱确信原子序数必然与原子核的物理状态有某种联系之后，这种关联才能够得以建立。

1911年，荷兰物理学家范登布罗克（A. van den Broek）提出，原子序数与原子的一个实际特征——原子核中的电荷——有关：“如果把所有元素按原子重量递增顺序排列，那么该序列中每个元素的序数一定等于其原子内的电荷量。”范登布罗克并没有证据支持自己的假设，而莫塞莱开始替他证明。

在曼彻斯特，莫塞莱与卢瑟福开展合作。他们的出发点是卢瑟福的原子模型，即负电子围绕一个致密的、带正电的原子核运行。卢瑟福曾指出，原子核上的电荷很大，约为原子重量的一半。他猜测原子核可能由质量为2的氦核组成，电荷量为1。但这一假设若放在整个周期表中，就会出现错位。例如，金在第79位，但卢瑟福发现它的电荷量约为98。由于这些不对应的情况，他没有公开主张将原子核上的电荷和原子序数联系起来。

莫塞莱利用X射线光谱仪开展自己的研究。英国物理学家巴克拉（C. Barkla）已经证明，元素会发出各具特征的X射线，他称之为K射线和L射线。这意味着，X射线在一定程度上与原子核有关，因为它会因元素不同而有所区别。莫塞莱向一系列元素发射了大量电子，并测量了每种元素所发射的K射线的波长。

他首先测试的是从钙到锌这10种元素，但不包括钪，因为他无法取得钪的样本。果然，他发现了一种线性关系，恰好与各元素的相对原子序数相对应。以原子序数为x轴，以K射线频率的平方根为y轴作图，可以显示出二者之间有明显的相关性，随着原子序数的增加，X射线频率以恒定的梯度增加。1914年，莫塞莱拓展了研究范围，测试了从铝到金的大部分元素，结果与他之前的发现完全一致。

莫塞莱的原子序数与X射线频率平方根的关系图，确凿地证明了原子序数并不仅仅是化学家们设计出来的方便工具

当时，人们对原子核的性质还没有充分的了解，所以无法解释射线频率有规律增加的原因。然而，莫塞莱的发现确凿地证明了原子序数是原子的真实特征，而不仅仅是便于化学家们排列元素的一个虚拟概念。

接下来要弄清楚的是，究竟是原子中的什么东西导致了原子序数的存在，以及原子序数究竟意味着什么。

莫塞莱
（1887—1915）(www.xing528.com)

莫塞莱的母亲是一位著名生物学家的女儿，父亲是牛津大学的科学教授，在他年幼的时候就去世了。莫塞莱很早就展现出了过人的天赋，获得了伊顿公学的奖学金。1906年，他在物理和化学方面获得了奖项，之后进入牛津大学三一学院学习。毕业后，他与卢瑟福一起在曼彻斯特大学工作，先是教授物理学，随后成为研究员。

1912年，他证明了可以用放射性来给电池供电。他的方法之一是屏蔽镭发出的β粒子（电子），使镭的电荷变为正值。莫塞莱希望达到100万伏的电压，这时β粒子会立即被吸回，但他无法使放射源充分绝缘。即便如此，他还是做出了15万伏的电压，制造出了世界上第一块放射性电池，他称之为“镭电池”。放射性电池现在广泛应用于对电池寿命要求较高的地方，如心脏起搏器和航天器中。

莫塞莱后来返回牛津大学，开始建造研究原子序数所需的X射线枪，并在一年内完成了这项工作。这个了不起的事业开端，成了他一生最伟大的成就。1914年8月，第一次世界大战刚刚爆发，莫塞莱便应征加入英国军队，被派往土耳其担任通信技术军官。1915年8月，在加里波利战役中，他被一名敌军狙击手击中头部而身亡，年仅27岁。这个时代最有前途的一位科学之星就这样牺牲了。

患者胸部的X光片上，可见一台由放射性电池供电的心脏起搏器

质量还是序数？

“原子量”（或相对原子质量）是指某一特定元素样本中原子的平均质量，以单个碳-12原子质量的1/12的倍数表示。定义中之所以要强调“特定元素样本”，是因为许多元素都以同位素（即中子数各异的不同核素）的形式存在，所以相同元素其原子的质量未必相同。

“原子序数”是指原子核中的质子数。电子数总是与质子数相同，所以原子序数表示元素的价态（结合力）。原子序数总是一个整数，因为任何原子都不可能有残缺的质子。