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位于斯洛伐克首都的門(mén)捷列夫雕像

無(wú)論東方還是西方，“元素”的概念古已有之。從中國(guó)的“五行論”到古希臘的“四元素說(shuō)”，人類(lèi)渴望從繁中化簡(jiǎn)，尋找大千世界最初的那個(gè)“一”。

近代化學(xué)的發(fā)展讓一些真正的元素顯現(xiàn)出來(lái)，比如在“五行論”和“四元素說(shuō)”都占一席之地的“水”，其實(shí)還可以分解為氫和氧?？茖W(xué)家們于是把元素定義為通過(guò)化學(xué)手段不能再分的物質(zhì)。到了門(mén)捷列夫繪制出首版元素周期表的時(shí)代，世界上已知的化學(xué)元素共有63種，并以年均1個(gè)的速度新增。

同時(shí)代起碼有4名西歐化學(xué)家和1名美國(guó)化學(xué)家做過(guò)相同的嘗試，但只有門(mén)捷列夫能夠?qū)?3個(gè)元素全都?xì)w納整理，在表格上各司其職，隨著原子質(zhì)量的增加，化學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)出有規(guī)律的變化。

這無(wú)異于見(jiàn)世界于一花，縮滄海為一粟，給古老的“煉金術(shù)”奠定法則與規(guī)范，成為真正的科學(xué)。門(mén)捷列夫更極具前瞻性地在表上留白，預(yù)言了新元素的存在，給后續(xù)探索點(diǎn)明了方向。

聯(lián)合國(guó)將2019年定為“國(guó)際化學(xué)元素周期表年”，并評(píng)價(jià)道：“元素周期表是科學(xué)史上最卓著的發(fā)現(xiàn)之一，刻畫(huà)出的不僅是化學(xué)的本質(zhì)，也是物理學(xué)和生物學(xué)的本質(zhì)?！?/span>

關(guān)于這一發(fā)現(xiàn)的始末，眾說(shuō)紛紜，史料與傳奇交錯(cuò)，難以一一印證，其中最為著名的無(wú)外乎這兩個(gè)：

其一，門(mén)捷列夫一夜夢(mèng)見(jiàn)所有的元素紛紛落進(jìn)相應(yīng)的格子，組成了一張表。門(mén)捷列夫本人在后期認(rèn)可了這個(gè)故事，并稱(chēng)自己只在一處做了必要的修改。

其二，門(mén)捷列夫把63個(gè)元素的名稱(chēng)、原子質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)繪制在63張卡片上，日夜把玩，排列組合，終于參破了規(guī)律。

不管是托夢(mèng)還是玩牌，我們?nèi)缃窨梢源_定的是，元素周期表的發(fā)明與門(mén)捷列夫撰寫(xiě)《化學(xué)原理》一書(shū)密切相關(guān)。

門(mén)捷列夫在1867年接替前輩兼老朋友沃斯克列森斯基的空缺，成為了圣彼得堡大學(xué)一名純化學(xué)教授，同時(shí)必須接替他的課程，開(kāi)始教授無(wú)機(jī)化學(xué)。這對(duì)此前一直研究有機(jī)的門(mén)捷列夫來(lái)說(shuō)是個(gè)相對(duì)陌生的領(lǐng)域，他決定親自編寫(xiě)一本教材。

1897版《化學(xué)原理》的扉頁(yè)

1869年，門(mén)捷列夫完成了《化學(xué)原理》的上卷，只整理了氫H、氧O、氮N、碳C等8個(gè)常見(jiàn)元素，他開(kāi)始頭疼，如何將剩下的55個(gè)元素全部塞進(jìn)下卷？

元素周期表正是門(mén)捷列夫?yàn)榇私獬龅耐昝来鸢浮?891年，《化學(xué)原理》下卷完成。它將經(jīng)歷12次修訂，成為全世界化學(xué)新生的入門(mén)教材，與元素周期表一起流傳150年。

不存在的元素

門(mén)捷列夫畫(huà)出的第一版表格看上去可能會(huì)令人迷惑。你需要把它順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度，再左右顛倒一番，才能找回熟悉的感覺(jué)。

后來(lái)，門(mén)捷列夫也會(huì)這么修改。

第一版門(mén)捷列夫元素周期表

表格上的元素符號(hào)與現(xiàn)代基本一致，只有三處不同：碘被標(biāo)記為J而非I ，鈾被標(biāo)記為Ur 而非U。Di這個(gè)元素則根本不存在。它在1841年作為一種稀土元素被發(fā)現(xiàn)，直到1885年，新的分離結(jié)晶技術(shù)才最終證明它其實(shí)是第59號(hào)元素鐠(Pr)和第60號(hào)元素釹的混合物。

事實(shí)上，稀土元素一直令門(mén)捷列夫煩惱不已，它們彼此間化學(xué)性質(zhì)十分接近，以當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件很難區(qū)別。

如今，除了第23號(hào)元素鈧（Sc）和第39號(hào)元素釔（Y）,其余15個(gè)稀土元素與周期表的主表分離開(kāi)，統(tǒng)稱(chēng)為“鑭系”盤(pán)踞在表格的“南極洲”。

惰性氣體在首版手稿中并不存在，它們直到1890年代中期才會(huì)被世人發(fā)現(xiàn)，并被門(mén)捷列夫置于周期表的最左一列，作為“第0族元素”?，F(xiàn)代周期表則把惰性氣體放在最右一列。

周期性

門(mén)捷列夫在這張表格中發(fā)現(xiàn)的驚天奧秘是周期性。

隨著原子質(zhì)量的增加，元素的化學(xué)性質(zhì)并非一直變化，而是間隔一段出現(xiàn)重復(fù)。

比如，從鋰(Li）到鉀（K),原子質(zhì)量從7增加到39，門(mén)捷列夫的表中共列出了15個(gè)元素。
但鋰的化學(xué)性質(zhì)與緊接著排在后面的鈹（Be)性質(zhì)差別頗大，反而與間隔7個(gè)出現(xiàn)的鈉（Na)和再間隔7個(gè)出現(xiàn)的鉀十分相似。跟鈹相似的元素則是鈹之后間隔7個(gè)出現(xiàn)的鎂(Mg)。

與此同時(shí)，碳與硅、氧與硫、氟與氯等互相相似，它們之間的間隔都是7。

門(mén)捷列夫想到了三角函數(shù)圖像的循環(huán)往復(fù)，在一個(gè)周期內(nèi)，元素的化學(xué)性質(zhì)會(huì)隨著原子質(zhì)量的增加而一直變化，進(jìn)入下一個(gè)周期，元素的化學(xué)性質(zhì)又瞬間回到了原點(diǎn)，重新開(kāi)始一輪變化。

首版手稿的每個(gè)縱列即為一輪變化周期，每個(gè)橫排上的元素性質(zhì)相似，后來(lái)演化為“族”的概念。

比如，鋰、鈉、鉀、銣這一排后來(lái)被稱(chēng)為堿金屬族，氟、氯、溴、碘后來(lái)被稱(chēng)為鹵族。在最初的手稿中，門(mén)捷列夫把這兩族置于比鄰。后來(lái)，他將發(fā)現(xiàn)這兩族元素的化學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)為兩個(gè)極端，于是拆分到最左和最右的位置。

質(zhì)量旁邊的問(wèn)號(hào)

縱然第一版元素周期表在門(mén)捷列夫的時(shí)代具有驚人的洞見(jiàn)力和前瞻性，其局限性也是顯而易見(jiàn)的。

門(mén)捷列夫在化學(xué)元素旁標(biāo)注的數(shù)字是原子的質(zhì)量，而非現(xiàn)代周期表的排列依據(jù)質(zhì)子數(shù)量。事實(shí)上，門(mén)捷列夫始終沒(méi)有徹底搞清楚原子的結(jié)構(gòu)，他尤其懷疑電子是否存在。

門(mén)捷列夫的手稿。密密麻麻的涂改可以看出他的糾結(jié)

在門(mén)捷列夫的時(shí)代，給原子稱(chēng)重是很難的。元素在自然界往往以化合物的形式存在 先要提純，還要確定化合價(jià)（比如，H20中氧的化合價(jià)為-2)。 這個(gè)過(guò)程中可能產(chǎn)生10至100倍的誤差。

門(mén)捷列夫給好幾個(gè)元素的質(zhì)量打上了問(wèn)號(hào)，比如鈾被標(biāo)為116，門(mén)捷列夫后來(lái)會(huì)修改為更接近現(xiàn)代的數(shù)值。

鈷（Co）和鎳（Ni）、碲（Te）和碘（J）是非常奇特的兩組“倒置”，由于一些特殊的化學(xué)性質(zhì)，前者的質(zhì)子數(shù)量要小于后者，但原子質(zhì)量卻大于后者。

困惑的門(mén)捷列夫在表上把鈷（Co）和鎳（Ni）的質(zhì)量都標(biāo)為59，而碲（Te）比排在后面的碘質(zhì)量大。他在旁邊打上了問(wèn)號(hào)，其實(shí)這個(gè)質(zhì)量在后來(lái)被證實(shí)并沒(méi)有問(wèn)題。

上述蹊蹺之處，門(mén)捷列夫窮盡一生也未能解答。

門(mén)捷列夫辭世后6年，亨利?莫斯利提出了原子序數(shù)的概念，即原子核中質(zhì)子的數(shù)量，破解了周期律背后真正的密碼。

這種帶正電的粒子數(shù)量決定了核外電子的數(shù)量，核外電子的分布情況又在很大程度上決定了元素的化學(xué)性質(zhì)。最關(guān)鍵的是，原子序數(shù)的數(shù)字是連續(xù)增加的，從1開(kāi)始，每個(gè)整數(shù)都對(duì)應(yīng)了一個(gè)元素。

隨著質(zhì)子數(shù)量的增加，原子質(zhì)量呈現(xiàn)總體增加的趨勢(shì)，但偶爾也會(huì)出現(xiàn)例外的波動(dòng)。這就是門(mén)捷列夫依據(jù)原子質(zhì)量排序的周期表并非完全準(zhǔn)確的根本原因。

偉大的留白

世界上第一張?jiān)刂芷诒碜盍钊私蚪驑?lè)道之處，是表上的三個(gè)位置只標(biāo)了原子質(zhì)量，而沒(méi)有元素字母。換句話說(shuō)，門(mén)捷列夫預(yù)言了按照周期律，應(yīng)該有三種未被發(fā)現(xiàn)的新元素存在。

1871年，門(mén)捷列夫把這三個(gè)元素起名“Eka硼 ”、“Eka鋁”和“Eka硅”，預(yù)測(cè)它們的化學(xué)性質(zhì)應(yīng)當(dāng)分別與硼、鋁和硅類(lèi)似。Eka這個(gè)前綴來(lái)自于梵文，意為“一”。

這在學(xué)術(shù)界引發(fā)了軒然大波，質(zhì)疑的聲音紛至沓來(lái)。但歷史將證明門(mén)捷列夫是對(duì)的，這三個(gè)位置屬于1886年發(fā)現(xiàn)的鍺，1876年發(fā)生的鎵和1879年發(fā)現(xiàn)的鈧。

在更遠(yuǎn)的后來(lái)，科學(xué)家們甚至開(kāi)始利用周期表的規(guī)律，自己動(dòng)手創(chuàng)造新元素。

1937年，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校利用回旋加速器用氘原子核（含有一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子的氫同位素）去“轟擊”第42號(hào)元素鉬(Mo)，得到了锝（Tc),填補(bǔ)了第43號(hào)的位置。這是世界上第一個(gè)人造元素。

從第95號(hào)镅（Am)開(kāi)始，新增的人造元素普遍“短命”，很快就會(huì)衰變?yōu)樵有驍?shù)更小的元素。這是因?yàn)椋S著原子核質(zhì)量的增加，質(zhì)子之間的排斥力也會(huì)越來(lái)越大，難以保持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。104號(hào)元素的半衰期不足一分鐘；106號(hào)元素的半衰期不足一秒；再之后的人造元素，存在的時(shí)間以毫秒計(jì)算，幾乎剛剛誕生就會(huì)煙消云散。

現(xiàn)代元素周期表排到了118號(hào)

有一個(gè)位置專(zhuān)門(mén)留給了門(mén)捷列夫：第101號(hào)元素鍆（Md)。

150年后的2019年，元素周期表已經(jīng)排到了118號(hào),科學(xué)家們?nèi)栽跒殚T(mén)捷列夫的偉大發(fā)現(xiàn)開(kāi)疆拓土，而那個(gè)終極問(wèn)題仍未得到解答：

元素周期表的盡頭在哪里？