王昊陽

站在巨人肩膀上的門捷列夫

門捷列夫并不是第一個創(chuàng)造元素周期表的科學家，相比其他人，他的天才在于，在表格中留出了空間，他意識到某些特定元素是缺失的，還有待被發(fā)現。

1789年，法國化學家安托萬·拉瓦錫出版了已知的33種化學元素（部分為單質和化合物）的列表，將元素分為氣體、金屬、非金屬礦物和稀土四組，這應該是世界上第一張有關元素的分類表格。

1803年，英國化學家、物理學家約翰·道爾頓提出原子學說，他用相對比較的辦法求取各元素的原子量，并發(fā)表第一張原子量表，引發(fā)科學界的轟動和對測定原子量工作的重視。沒有可靠的相對原子質量，不可能有可靠的分子式，就不可能了解化學反應，也不可能有門捷列夫的周期表。

隨后，尚古爾多、奧德林、邁耶爾、紐蘭茲、欣里希斯等科學家都對化學元素周期表的問世打下了可貴的堅實基礎，讓門捷列夫摘取“發(fā)明元素周期表”的桂冠成為了可能。

門捷列夫生于1834年，10歲之前居住在西伯利亞，在一個流放者的指導下，他對化學知識產生了極大興趣。1850年，他進入彼得堡師范學院學習，畢業(yè)后曾擔任中學教師，后任彼得堡大學副教授。1867年，升任教授的門捷列夫為系統(tǒng)地講好無機化學課程，著手著述一本化學教科書——《化學原理》。在編寫過程中，他遇到了一個難題，就是該如何用一種合乎邏輯的方式，來組織和統(tǒng)一當時已知的63種元素。

門捷列夫想在學生面前展開一幅描寫物質統(tǒng)一性和邏輯性的畫面，指出宇宙萬物構造的幾條重要法則，可當時并沒有這方面的規(guī)律。于是，他開始在迷宮一般的各類元素性質間，千方百計尋找著規(guī)律或統(tǒng)一性。

在前人繪制的元素表基礎上，門捷列夫苦苦探尋元素的準確原子量和元素性質之間的關系及規(guī)律，最終取得突破性進展，完成了從感性認識到理性認知的飛躍。1868年《化學原理》一書的寫作，為他發(fā)明元素周期表打下了基礎。他進行了“在原子量和化學性質相似性基礎上構筑元素體系的嘗試”。1869年2月17日，門捷列夫發(fā)表了第一張元素周期表，明確地使用了“周期性”一詞。在這張元素周期表中，周期是縱行，族是橫行。

1871年12月，門捷列夫發(fā)表第二張元素周期表。在這張表中，他改豎排為橫排，同一族元素處于同一豎行中，更突出了元素性質的周期性，這標志著化學元素周期律發(fā)現工作的完成。接著，他將此系統(tǒng)整理成了四篇論文。直至1906年，他又發(fā)表了五張元素周期表。

門捷列夫并不是第一個創(chuàng)造元素周期表的科學家，相比其他人，他的天才之處在于，在表格中留出了空間，他意識到某些特定元素是缺失的，還有待被發(fā)現。他指出，按著原子質量由小到大的順序排列各種元素，在原子量跳躍過大的地方會有新元素被發(fā)現，因此周期律可以預言尚待發(fā)現的元素。同時，他還準確預測了缺失元素的性質。

門捷列夫獲得“發(fā)明元素周期表”的崇高榮譽不容懷疑。為紀念門捷列夫，第101號元素被命名為“鍆”（Md，第七周期，第ⅢB族元素）。

科學的最高境界應是哲學思想的體現。正如恩格斯所說：“門捷列夫不自覺地應用黑格爾的量轉化為質的規(guī)律，完成了科學史上的一個勛業(yè)，這個勛業(yè)可以和勒維耶計算出尚未知道的行星——海王星軌道的勛業(yè)，居于同等地位?！?/p>

元素周期表到底要不要重排

未來科學不會推翻元素周期表。原子結構的發(fā)現非但沒有推翻門捷列夫元素周期表排列的科學性，反而發(fā)現它們竟是如此驚人的一致。

在門捷列夫發(fā)明周期表時，稀有氣體尚未被發(fā)現。1895年后，惰性稀有氣體元素陸續(xù)被發(fā)現。門捷列夫尊重科學實踐的發(fā)展，在1906年提出的元素周期表中，將它們安排在第I族的前面，定為零族。完整的新族形成了，完善了周期系，也構成了一個新的認識循環(huán)，使周期系理論得到了發(fā)展，新的發(fā)現和安排也沒有跟元素周期律及周期表發(fā)生矛盾。

19世紀末至20世紀初，科學家們發(fā)現了電子、質子、中子和原子核。1911年，英國物理學家盧瑟福提出，原子的質量主要集中在原子核上（質子數和中子數合起來表現為原子量），原子核的電荷數等于元素的原子序數，這極大發(fā)展了門捷列夫的元素周期律，并將元素周期系理論放在了更正確、更科學的本質基礎上。直到1921年，丹麥物理學家波爾等提出電子在原子核外排布的一些規(guī)則，建立了近代原子結構理論，再次發(fā)展了元素周期律。

量子化學研究的不斷深入，解決了核外電子運動狀態(tài)的描述和核外電子的排布問題，從而真正揭示了元素周期律的本質。元素性質的周期性變化是由于原子的電子層結構有周期性變化，這深刻而準確地反映了原子的微觀結構，使周期律更加完善。

可見，元素周期表的發(fā)展經歷了許多考驗。原子結構的發(fā)現非但沒有推翻門捷列夫元素周期表排列的正確性，反而發(fā)現它們竟是如此驚人的一致——至今，新元素的發(fā)現都是符合原子物理規(guī)律的，并在人類預測的范圍之內。

周期表對元素周期律實質的揭示和它本身所具有的包容性，尤其是對新元素不斷發(fā)現和合成的指導性，一次次向世人證明，元素周期表不需要重排，未來科學也不會將它推翻。

人工合成元素會無限擴展周期表嗎

化學元素周期表的形成和發(fā)展，是科學史上的一個重要里程碑，離不開一代代科學家們的卓越研究和不斷完善，這些偉大的科學家是人類的文明之光。

1940年以前，鈾元素始終處于周期系的末端。人們在化學上用“超鈾元素”泛指原子序數在92（鈾）以上的重元素。1944年，美國核化學家西博格根據重元素的電子結構提出了錒系理論。這一理論使近代周期表趨于完整，也為后來逐一合成人工超鈾元素指明了方向。

根據電子結構理論，人類相繼合成了104號至118號超重元素，從而完善了元素周期表中的第七周期，不但為科學家在未來合成更重、更有實用價值的元素提供了可能，也使得近代周期表完善了“對稱性占主導地位的形式美”。這是自然界物質運動內在美的體現，是自由創(chuàng)造美與自然科學美的結合。

繼104號至118號元素被成功合成、并得到“國際純粹與應用化學聯(lián)合會”（IUPAC）的承認和命名之后，其中四個新元素的中文名字也于近期公布，原子序數分別為113（，Nh）、115（鏌，Mc）、117（，Ts）和118（，Og）。

穩(wěn)定島假說的提出，鼓舞著科學家們在自然界和人工合成兩個領域去找尋新的超重元素，這是一個帶有幻想式的大遠景周期表。但科學探究告訴我們，元素周期表可能存在一個上限。這是因為，質子帶正電，是強相互作用克服了質子間的庫倫斥力，把質子和中子束縛在原子核內部。強相互作用是短程力，超過一定距離幾乎就沒有了。越重的元素越容易超過這個極限，這樣元素就極不穩(wěn)定。因此，元素不可能無限增加。

另外，還需要考慮重元素是否能被有效觀測，如果重元素衰變太快以至于來不及觀測，那就沒法證明它的存在。

（摘自2019年4月14日《文匯報》）