元素周期律的沉浮

文|王震元

元素周期律的沉浮

文|王震元

恩格斯高度评价：门捷列夫完成了科学上的一个勋业，这个勋业可以和勒维烈计算尚未知道的行星——海王星轨道的勋业居于同等地位……

19世纪以来，随着生产和科学实验的发展，一系列新元素接连不断地被发现，到1869年已有63种元素为人们所认识。但是，当时化学界有一股经验主义习气，一些化学家满足于经验性研究，每出现一种元素就对其特性进行测定，使得他们往往是“只见树木不见森林”，陷入了元素“迷宫”中。于是，俄国化学家门捷列夫就提出了这样的问题：各种各样的元素之间是否存在着内在联系呢？

门捷列夫创新路 元素“迷宫”显曙光

在门捷列夫生活的年代，有关化学元素的背景知识主要是两个方面：元素的性质与原子量。这里不妨引述一段门捷列夫对自己研究活动的回忆：“化学这门研究物质的科学的历史，一定会引导人们——不管人们愿不愿意——不但要承认物质质量的永恒性，而且要承认元素化学性质的永恒性。因此，我自然而然地就产生了这样的思想：在元素的质量和化学性质之间，一定存在着某种联系。物质的质量既然最后成为原子的形态，就应该找出元素特性和它的原子量之间的关系……于是我就开始收集，将元素的名字写在纸片上，记下它们的原子量和某种特性，把相似元素和相近的原子量排列在一起……因此，一方面寻找元素的性质与其原子量之间的关系；而在另一方面，寻求其相似点与原子量之间的关系。这算是最简捷和极自然的想法了。”

从门捷列夫的叙述中，我们不难看出他进行了三个方面的分析：一是分析元素的性质（定性分析），二是分析元素的原子量（定量分析），三是分析元素的性质差异与原子量大小之间的关系（系统分析）。

与此同时，门捷列夫对上述分析又作了相应的综合：一是按元素化学性质对所有元素进行分类综合，这是纵向综合；二是按元素原子量的大小对所有元素进行排列顺序综合，这是横向综合；三是将上述两种综合联系起来，寻求元素的性质与其原子量关系的规律，这是系统综合。

门捷列夫正是运用这种“分析-综合”的方法，发现了元素的化学性质随原子量的增加而呈周期性变化的趋势。

应当着重指出：门捷列夫不仅使用了“分析-综合”这种常规的逻辑思维方法，而且运用联想、想象等形象思维方法进行推导。这是因为当时有些元素尚未被发现，已发现的元素中有的原子量数据有误。

例如，按照当时的测定，铟的原子量为75.4，铟应该排在硒的前面、砷的后面。但这样一来，磷与砷、硫与硒这两对性质相似的元素就无法分别排在同一个纵向行列中了，因此图表就乱了套了。门捷列夫推测，铟的原子量很可能搞错了，就在表上将它的位置移至镉与锡之间。

又如，按照原子量的大小顺序排队，锌后面是砷，从纵向观察，砷应当排在铝的下面。但是，砷的性质明显与磷相似，与铝根本不同。于是门捷列夫大胆地在锌与砷之间留出两个“空位”，预言有两个尚未发现的新元素（“类铝”和“类硅”）。此外，在钙与钛之间，他也预言有一个元素（“类硼”）缺位。显然，门捷列夫如果不是运用了联想、想象、直觉等一系列形象思维方法，是不可能从“酝酿”进入“明朗”，完成这张具有创新价值的元素周期表的。

1869年2月17日，门捷列夫排出第一张化学元素周期表，并在相关论文中明确指出：按照原子量大小排列起来的元素，在性质上呈现明显的周期性。他在《元素的自然系统以及它在判断未知元素的性质方面的应用》一文中，进一步明确肯定了自己的预言。

自相矛盾难圆说 步入晚年陷迷误

门捷列夫的假设经受了实践的检验：表上的“空位置”一个又一个地被“填充”——陆续发现了“镓”（类铝）、锗（类硅）、钪等新元素。它们的物理、化学性质，特别是原子量，与门捷列夫的预言惊人地吻合。例如，据进一步精确测定，铟的原子量（取整数）为114；而镉与锡的原子量（也都取整数）分别为112和118，所以铟在元素周期表上的位置确应排列在镉与锡之间。这就表明门捷列夫正确地解释了元素的性质与原子量之间呈周期性变化的客观规律。对此，恩格斯作了高度评价：门捷列夫完成了科学上的一个勋业，这个勋业可以和勒维烈计算尚未知道的行星——海王星轨道的勋业居于同等地位。

门捷列夫生活的时代，由于人们对原子内部结构的了解还是很茫然，因而他不可能进一步回答为什么元素的性质与其原子量的大小存在着周期性变化这个根本问题。

首先，反映在周期表上就形成了这样的矛盾：有三对元素，如果按照原子量递增的次序排列，应该是钾在氩之前、镍在钴之前、碘在碲之前。尽管门捷列夫从元素的相关性质出发，对其作了顺序相反的“例外”处理，表现了这位化学家对客观事实的尊重，但是由于这种无法自圆其说的“例外”破坏了元素周期表的统一性，因而作为一种科学理论，门捷列夫的表述显然不够成熟和严谨。

其次，在元素氢和氦之间有一排空位是否可能存在新元素，门捷列夫并未明确回答。相反，他“曾设想过存在比氢还要轻的元素”。更让人遗憾的是门捷列夫到了晚年，面对放射性元素和原子中存在电子等物理学上的一系列新发现，其思想未能“与时俱进”——从元素不能转化、原子不可分割等传统观念中解脱出来。他竟“预言了”原子量小于1的NewTonium（原子量0.17）和Coronium（原子量0.4）两种所谓的“新元素”存在，从而陷入了误区。

于是，进一步完善元素周期律的重任自然就历史性地落到了20世纪的科学家肩上。

莫斯莱疆场喋血 失诺奖英名永存

对完善元素周期律作出重大贡献的是英国青年物理学家莫斯莱。他不但深信老师卢瑟福的论断：一个元素的原子质量越大，其原子核带的阳电荷越多，外围的电子数也就越多；而且更想进一步搞清楚元素在周期表上的排列顺序，与其原子核中的核电荷数之间究竟是什么关系。

1913年，年仅26岁的莫斯莱决定利用发现不久的X射线解决这个问题。大家知道，用同一块石头，以同一速度投进不同物质中例如水、油或者水银中时，会产生不同波长的波纹。换句话说，不同波长反映了不同物质的特性。根据相似的原理，莫斯莱在特制的X射线管中，把需测试的某种元素作为靶——阳极，让它受到阴极上发出的电子轰击而产生X射线。

他发现，元素的原子序列每进一位，其X射线谱中任何一根线的频率（波长的倒数）的平方根增加值几乎是一个常数。X射线频率的改变与产生X射线的元素原子核中的阳电荷数增加有直接关系。莫斯莱终于明白：原来元素在周期表上的排列序号就是该元素的原子核所带的单位阳电荷数。根据整个原子呈中性的原则，在原子核外面显然有同等数目的电子。这样，门捷列夫当年遗留的问题就不难回答了。

从原子量的角度看，氢是1，氦是4，中间可能还有原子量为2、3的新元素存在；而据莫斯莱的测定，氢的原子序数为最小值1，氦的原子序数为2，在氢和氦的空位之间就不必浪费精力去寻找什么新元素。至于原子量小于1的新元素当然更无存在的可能了。

再从原子序数大小比较，氩（18）排在钾（19）前面、钴（27）排在镍（28）前面、碲（52）排在碘（53）前面，它们的顺序完全是正常的，并没有什么“例外”。当然，细心的读者也一定会发现，莫斯莱并没有进一步回答：元素的原子序数与它的原子量究竟是否有关？这个问题直到1932年查德威克发现中子，并经科学界公认任何一种元素（除了普通的氢元素以外）的原子核，都是由不同数量的带正电荷的质子和不带电荷的中子组成后，才找到了正确答案。

原来，一种元素的原子序数就是该元素原子核内的质子数。科学家们还证实：一种元素原子核的质量几乎等于该原子的全部质量（原子量）。这样就可以简化成：原子量=质子数（原子序数）+中子数。在一般情况下，原子核内中子数与质子数是“同步”增加的。但也有少数原子核不“同步”。这就是门捷列夫认为三对元素排列顺序“例外”的根本原因。虽然由于受时代的局限，莫斯莱未能预见中子的发现，但他对原子量，特别是原子结构的认识明显比门捷列夫深刻得多。

1914年初，莫斯莱将他的这一发现写成题为《元素光谱的高振动数》等两篇论文，在权威刊物《菲尔·玛克》上发表，受到了科学家们的广泛重视。他们认为当年诺贝尔奖非莫斯莱莫属。

1916年，德国的柯赛尔更正式用原子序数代替原子量，对元素周期律作了现代科学意义上的准确表述：元素及其形成的单质和化合物的性质，随着元素原子序数（核电荷数）的递增而呈周期性变化。

令人惋惜的是，当第一次欧战爆发后，莫斯莱投笔从戎，不久就把热血洒在疆场上，年仅27岁，成为一颗过早陨落的科学巨星。