2015年10月2日

給週期表一個理由 莫斯利與原子序

作者/曾耀寰(任職於中研院天文所,科學月刊社理事長)

悲劇性結束一生的科學家並不多,布魯諾(Giordano Bruno)與拉瓦節(Antoine Laurent Lavoisier)為最有名的兩人。十六世紀文藝復興時期,義大利哲學家、天文學家布魯諾提出了宇宙充滿無數個類似地球的說法,被當作是泛神論者,不見容於當時的教廷,布魯諾在1600年被活活地燒死在羅馬花園廣場。十八世紀著名的法國化學家拉瓦節在25歲就進入法國皇家科學院,他發現燃燒是氧氣和物質的化合反應,推翻了暢行百餘年的燃素論。可惜在法國大革命的時候,被激進的革命黨人送上斷頭台。拉瓦節被砍頭的時候,著名的法國數學家拉格朗日(Joseph Lagrange)也在現場,他看了看手錶,然後說:「砍下拉瓦節的腦袋只需一秒鐘,但是要長出這樣的頭腦也許還要幾百年。」

英年早逝的莫斯利
另一件科學史上的悲劇發生在一百年前,1915年8月10日,英國物理學家莫斯利(Henry Moseley)正參加第一次世界大戰的加里波利戰役,當時協約國50萬士兵從土耳其的加里波利半島登陸,遭遇同盟國的反擊,這場戰役造成協約國約7萬人陣亡,將近十萬人受傷,而年僅27歲的莫斯利被子彈命中頭部,當場陣亡,許多人認為這是科學上的一大損失,因為莫斯利的科學成就足以榮獲1916年諾貝爾物理獎,英國政府因此制訂一條政策,不再讓傑出的科學家上戰場,參加戰鬥,最有名的例子就是二戰時愛丁頓(Arthur Eddington)赴非洲觀測日食,證實了廣義相對論。(見《科學月刊》2015年8月〈愛因斯坦與廣義相對論的誕生〉)

莫斯利的主要成就是和化學元素週期表有關,通常在學校課本裡談到週期表,都會介紹俄國化學家門得列夫(Dmitri Mendeleev)。在19世紀時,德貝萊納(Johann Wolfgang Dobereiner)就發現某些元素的物理和化學特性類似,例如鋰、鈉和鉀,以及鈣、鍶和鋇,稱為三元體(Triads)。門得列夫研究當時已知的63種元素,他精確的量測元素的原子質量,發現元素之間的特性有週期性,但如何將這些元素排列成表?據說門得列夫的週期表和作夢有關,1869年2月17日清晨,門得列夫正埋頭研究元素之間的關係,他將各個元素的特性用撲克牌的方式,一張張地表列,但一直找不到規律,於是疲憊的他,打個盹,做了個夢,夢中竟出現了週期表,門得列夫醒來發現心中所有的疑惑都迎刃而解,當時元素週期表的排列方式大約是以元素原子質量加以排列,並不知其原理。......【更多內容請閱讀科學月刊第550期】

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