原子核的核电荷数如何测量出来的？

上节课我们就说完了原子核的发现过程，卢瑟福也因此建立了一个行星原子模型，这个模型只是初步的给人们描述了一个原子的图像，就像是八大行星绕着太阳旋转一样。

不过在这个模型中还存在很多的问题，还有困难，比如原子核的核电荷数是多少？原子核的组成成分是啥？原子的稳定问题以及核外电子的排布问题？

通过解决以上的问题，物理学就出现了两个大的分支，研究原子核及其组成分成的就叫核物理，以及后来又衍生出的粒子物理，研究原子稳定性的问题，以及核外电子排布的，就是旧量子论。

旧量子论的主要内容就是玻尔的量化原子模型，这些内容在我之前的量子力学中已经讲过了，那今天我们要说的核电荷数的测量，其实严格来说又跑题了，因为在之前的量子力学中我已经说了一遍了。

不过，我觉得在今天的这个系列中还是有必要要再说一下，因为这是卢瑟福发现原子核遗留下来的问题，好，那闲话就不多说了，开始今天的正题。

卢瑟福在发表了自己的原子模型以后，有一次在剑桥大学卡文迪许实验室的晚宴中就遇见了尼尔斯·玻尔，玻尔这个时候还是学生，他专门从丹麦来英国的剑桥找自己的偶像汤姆逊。

但两个人的见面并不愉快，正好这时玻尔遇见了卢瑟福，两人就聊得挺投缘的，所以在玻尔的心里就萌生了一个想法。那到了1912年，玻尔就离开剑桥，去曼彻斯特投奔了卢瑟福。

在卢瑟福这里玻尔就学到了最新、最前沿的原子物理，也抓住了一个重要的研究题目，卢瑟福原子模型的稳定性问题。

在1913年玻尔就发表了三篇论文，通过量化电子轨道角动量，也就是量化了电子在核外所能占据的轨道大小，就解释了原子稳定性的问题。

同时也解释了原子光谱的来历，就是核外的电子在不同能级之间的跃迁形成，为了验证自己的想法， 玻尔就推导出了一个公式，通过这个公式我们就能知道，电子从第一激发态跃迁回基态的时候，所释放的电磁波的波长，正比于核电荷数。

因此我们只需要测量电磁波的波长，就能算出核电荷数了。这个测量的工作是由卢瑟福团队的亨利·莫斯莱完成的，玻尔他不是实验物理学家，自己做不了实验，在论文发表以后，同年的7月份玻尔就专门去找了莫斯莱，让莫斯莱赶紧测，因为当时反对他的原子模型的人挺多了，主要是玻尔解释不了为什么电子在核外只能占据特定的能级？所以当务之急就是用实验证明他的理论没有问题，那至于为什么，以后再慢慢解释也来得及。

亨利·莫斯莱就觉得这个题目还不错，而且他当时正在实验室学习如何利用晶体替代衍射光栅测量X射线的波长，因为X射线经过晶体以后会发生偏转，这偏转的程度就跟X射线的波长有关。

那亨利·莫斯莱的实验是这样的，他选用了一些中等相对质量的原子进行测量，因为这些原子核电荷数不高也不低，可以释放出波长比较合适的X射线。

那根据玻尔的理论，只要我们用大量的能量足够的电子去轰击金属原子，总有可能会发生这些金属原子基态电子会被撞出来的可能，那基态没有了电子，第一激发态的电子就要往回跃迁，然后释放出一个X射线光子，携带两个能级之间的能量差。

通过测量释放出来的X射线波长，然后根据玻尔给出的公式就能算出每种元素原子的核电荷数了。

那经过莫斯莱两个月的辛苦工作，测量的结果就在同年9月份发表了出了，这个实验不仅验证了玻尔的量化原子模型，还顺带测量出了原子核的电荷数，提出了原子序数的概念，理清了元素周期表中元素的排列问题。

同时莫斯莱还预言了四种没有被发现的元素，分别是42、43、72、75，那后来这些元素都被发现了，可惜莫斯莱却在1915年死在了一战的战场，不然的话，他的实验足以让他获得诺贝尔奖。

现在我们看到的就是当时亨利·莫斯莱测量出来的原子核的电荷数，可以看出，从钙到锌，核电荷数基本上就是电子电荷的整数倍，那多出来的一点点可以解释为实验的误差。

整数倍正好就说明了，原子核所携带的电荷正好抵消了电子的电荷，物质才表现出了电中性，这一点跟人们之前的猜测是完全一样。

不过神奇的是，每一个元素到相邻的下一个元素，不管他的相对原子质量增加了多少，他的核电荷数就只增加一个单位，所以莫斯莱就发现，元素原子的核电荷数正好就等于它在元素周期表中的位置序数。

这就是原子序数的概念，这对我们理解元素周期来说至关重要，有了原子序数的概念，我们就知道元素的化学性质是由核电荷数来决定了，而且核电荷数也决定了核外电子的数目。

由于以前人们并不知道元素原子的排列顺序是跟核电荷数相关的，而是根据元素的相对原子质量排列的。

所以在这之前，人们发现了同位素以后，这些同位素和已知元素的化学性质相同，但是相对原子质量却不同，当时就把元素周期表搞的混乱不堪。

那莫斯莱发现了原子序数之后，就可以理清这个问题了，同位素的核电荷数一样，核外电子数也一样，所以化学性质相同，区别就是相对原子质量不同，以后我们在描述元素的时候，只要说清它的相对原子质量就可以区分这些同位素了。

所以说莫斯莱的发现，获诺奖是完全没有问题的，他的老师卢瑟福就非常惋惜地说，是莫斯莱逐一点了元素的名，揭示了元素周期表最后的秘密。

莫斯莱的发现还解释了1911年索迪提出的元素位移定律，说的是，当一个放射性原子释放一个α粒子以后，这个原子就会在按相对原子质量排列的周期表中下降两个位置；

当一个放射性原子释放出一个β粒子的时候，它就会在按相对原子质量排列的周期表中上升一个位置。

这就是放射性元素的位移定律，但当时并不能清楚地解释这个问题，那莫斯莱发现的原子序数和核电荷数之间的关系，就可以简单的说清这个问题了。

α粒子带两个核电荷，原子失去一个α粒子就是失去了两个核电荷，所以它就会下降两个位置，那β粒子带一个负电荷，原子失去一个β粒子，肯定就会多出一个正电荷，所以元素就会向上移一个位置了。

从以上的描述中就可以看出，在1913年的时候，人们已经确认了这样一个事实，放射性衰变产生的α粒子和β粒子是核现象，这对以后人们理解原子核的组成至关重要。

好了，今天的内容就到这里，下节课我们说中子的发现。