一隻打亂的三階魔方，不停旋轉就能還原成最初那幅完美的圖案。地球如果化作一張布滿方格的平面圖，誰是這些方格的答案？元素。門捷列夫用超越時代的大膽想像在表格中填入了63個元素，並預留了一些空白的位置讓後人來填滿。150年後，這張元素周期表有了118位成員，第七個周期也已經填滿，而對未知方格的探索仍未停歇……
周期律的未來並非無關緊要，而是承諾了發展和完善。
誕生：站在巨人肩膀的門捷列夫
1869年，年僅34歲的俄國彼得堡大學化學教師門捷列夫，在聖彼得堡化學協會例會上，發表了論文《元素性質與原子量的關係》，闡述發現的元素周期規律，以及能包含所有已知63種元素的元素周期表。
△可能是現存世界上最古老的門捷列夫元素周期表副本，是在2014年英國聖安德魯斯大學的一次清理中發現的。（來源：聖安德魯斯大學）
這個影響至今的發現，對與會者來說除了提出新的假說，最有新意的是對未知元素的預言。在許多科學家窮盡一生只為找到一種元素的時代，想要預言未知的元素簡直如同痴人說夢。門捷列夫的導師勸他回歸教書本業，別再研究什么元素的周期律和什麼預言了。然而，門捷列夫的想法非常堅定，他一定要找到元素的規律。
授課時，無序可循的元素該從哪裡講起，一直困擾著門捷列夫。從質量出發，那麼氫元素質量最小；從最常見的角度，氧是怎麼回事才更讓人關心；從社會發展需求角度，在高速發展礦業的時代，最實用的又應該是金屬類的元素……
為了理出頭緒，門捷列夫不斷地收集各種有關元素的資料，還為已知的63種元素各製作了一張卡牌，方形的卡牌上標註著元素符號、原子量、元素性質、化合物信息，等等。門捷列夫按照原子量的大小橫向排序，再根據元素原子價態性質做出調整。他將卡牌帶在身邊，以便隨時能把最新的領悟擺放出來。
然而，這道元素「排列組合」題，已經困擾科學家們近百年的時間。從1789年拉瓦錫給已知33種化學元素分為氣體、金屬、非金屬礦物和稀土四組，到19世紀初期，道爾頓提出了定量的化學原子論，並給出各元素的原子量。科學家們以此為基礎，用性質相似的規律得出「三元素組」現象，及原子量倍數關係等。僅有有限的規律，始終沒有探知到元素周期規律的本質。
1860年9月3日上午9時，來自德國、法國、英國、俄國、義大利等十多個國家的約140名化學家齊聚在德國的卡爾斯魯厄，參加為期三天的首次國際化學家代表大會。義大利化學家康尼查羅（Cannizzaro）在大會上散發了《化學哲學教程提要》單行本，在書中對阿伏伽德羅假說做了全面的論證和總結，由此把道爾頓的原子論推進到了原子-分子學說的新階段。原子-分子學說是現代化學理論建立的基礎，直接影響化學元素周期律的發現和有機分子結構理論的產生。
康尼查羅就「原子量的數值」的一席發言被載入史冊。化學大會後，原子-分子論得以確立，原子量的測定工作自此走上正軌。隨著大量元素的發現以及原子量的精確測定，化學家們開始討論元素性質與原子量的變化關係，這些探索為元素周期表的誕生奠定了基礎。
門捷列夫曾表示，「我的周期律決定性時刻就在1860年，我在聆聽義大利化學家康尼查羅的演講時，元素性質隨原子量（相對原子質量）遞增而呈現周期性變化的基本思想衝擊了我」。
1864年，英國化學家約翰亞歷山大雷納紐蘭茲（J.A.R.Newlands）把已知的元素按照原子量大小順序排列起來總結出「八音律」；美國化學家古斯塔夫斯德特勒夫欣裡希斯（G.D.Hinrichs）將元素標記在不相等的半徑線上，繪製了「星形化學元素體系」圖標。
此時，門捷列夫還在俄國彼得堡大學擔任化學教師一職。為尋找元素之間的規律，他將自製的63張已知元素的卡牌反覆地排列組合。
連續作戰的門捷列夫，在書桌上打了個盹，充滿空格的表格再次湧入他的腦海。這些空格會不會是「人類尚未發現的元素」？有了新的聯想，他再次拿出自己的63張卡牌，依照夢中的樣子把元素一一排列，留下幾處空白。經過反覆的思考，他根據自己發現的周期規律，預測出空白處的元素分別為「類鋁」「類硼」「類矽」「類錳」等。
1868年，門捷列夫出版《化學原理》，進行了「在原子量和化學性質相似性基礎上構築元素體系的嘗試」；次年2月17日，從三角函數中借用類「周期性」一詞，34歲的門捷列夫發表了最初的元素周期表。
發現元素的周期規律，為已知元素排序並準確預言未知元素，奠定了門捷列夫作為周期規律主要發現者的地位。而在尋找元素規律的歷史上，還有太多我們熟悉的化學家的名字，應該說是一代又一代科學家的不斷求索，才有了日趨完善的元素周期表。今天，科學家們仍在尋找新的元素，運用更先進的科學儀器、方法繼續完善這張布滿方格的、揭示元素規律的平面圖。
發展：生生不息的元素「家族」
顯而易見的是，門捷列夫的元素周期表與我們現在所使用的元素周期表還是存在很大的不同：不僅在設計上，更是在對元素的理解上。隨著科學的發展和進步，惰性氣體、鑭系元素、錒系元素等相繼被發現，門捷列夫的元素周期律和周期表也在不斷「添新」中被反覆驗證、完善……在1950年前後，我們現在使用的元素周期表才逐漸定型。
△芝加哥科學與工業博物館中的元素周期表螺旋樓梯
目前，由國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）審定發布「元素周期表」。每一元素的欄目中，最上方的數字代表的是元素的原子序數，也就是原子核中的質子數。這些帶正電的粒子決定了原子核外的電子數，而電子的結構又決定了元素的性質。
門捷列夫對元素周期表的貢獻影響至今。然而，元素性質與原子序數有何關係呢？這個關係到元素周期律本質的問題，門捷列夫時代也無法解釋清楚。如果說門捷列夫使用原子量排序是一個大膽的設想，那麼對「元素周期律本質」的發現，要歸功於英國物理學家亨利·格溫·傑弗裡斯·莫塞萊（H.G.J.Moseley）。
1907年，門捷列夫與世長辭。
六年後，莫塞萊在研究X射線光譜時發現，不同元素作為產生X射線的靶時，所產生的特徵X射線的波長λ不同，而按照所產生的波長排列後，次序與元素周期表的次序是一致的。於是，莫塞萊為這個次序命名為原子序數，並用「Z」來表示。原子序數解決了門捷列夫周期表中按照原子量遞增順序排列時造成的三處位置顛倒的問題，還揭示了元素周期律的本質，即元素性質是其原子序數的周期函數。元素周期律的表述也被更新為——元素的性質隨核電荷數遞增而發生周期性的遞變。
美國著名化學家萊納斯·卡爾·鮑林（L.C.Pauling）是量子化學和結構生物學的先驅者。他在研究化學鍵時，遇到了甲烷的正四面體結構的解釋問題，由此提出雜化軌道等理論。1939年，他確定的原子結構特別是電子在原子核外排布的狀態，更深刻而準確地反映了原子的微觀結構，即元素的周期性完全與核外電子層的周期性一致。這位兩獲諾貝爾獎的科學家幫助元素周期表構築了元素自然分類的完整體系，使得人們對元素周期律本質的認識更進一步。
門捷列夫的元素周期表不斷增加新的元素，但仍有一個空位遲遲沒有元素來認領——第43號元素。
長久以來，化學家們都在自然界中尋找新的元素，直到1937年在回旋加速器中由氘核轟擊鉬原子產生了第一個人造新元素——鎝，人工合成元素的時代由此開啟。
鎝的發現，第一次證明了周期表上的元素並不僅限於地球上已有的元素。人造元素也推動元素發現進入新的加速期。科學家從原子彈試驗的放射性碎片中，以及粒子加速器中陸續發現了第一批非自然元素。20世紀中後期，大部分人造元素的研究集中在位於俄羅斯杜布納的聯合核子所（JINR）進行，德國達姆施塔特的一家研究所，現名赫姆霍茲重離子研究中心（GSI），製造了107至112之間的所有元素。
瀕危：並不意味著元素會消失
為紀念門捷列夫元素周期表誕生150周年，歐洲化學學會發布了一張全新版本的元素周期表，這張元素周期表根據上世紀70年代美國化學家威廉·希恩 ( William Sheehan )提出的原始想法，重新繪製。每一種元素的豐富程度決定了它在元素周期表中所佔的面積。
這張元素周期表不僅為每個元素劃分了「面積」，還用紅色、橘色、黃色、綠色、白色、黑色，甚至還有一個手機圖標來標註它們的「性質」。
紅色代表的是在100年或更短的時間內，這些元素將耗散，其可利用性將大大降低。被紅色圈出的包括氦 ( He ) 、銀 ( Ag ) 、碲 ( Te ) 、鎵 ( Ga ) 、鍺 ( Ge ) 、鍶 ( Sr ) 、釔 ( Y ) 、鋅 ( Zn ) 、銦 ( In ) 、砷 ( As ) 、鉿 ( Hf ) 和鉭 ( Ta )。
元素的「瀕危」意味著什麼？人們該如何應對這場元素「危機」？
實際上，用「瀕危」來提醒世人應該可持續、可循環地去生產生活是一個不錯的創意，但是物種「瀕危」繼而從此消失的故事在元素的世界裡卻難以成立。實際上，根據物質與能量之間的守恆定律，在科學上並不存在元素「瀕危」的概念。元素的某種體現形式不斷消耗或分散，再生或再聚集的過程儘管很難，但並不意味著元素會消失。它們還將以其他的形式繼續存在。
但回過頭再去審視，不斷更新的電子產品類的個人需求，為消耗元素做出的「貢獻」，就知道「瀕危元素周期表」適時候提出了人類應該重視的問題。
另一方面，人們也在努力尋找基於地球豐富元素的替代材料。因為替換、回收和減少使用才是解決元素「危機」的必經之路。
新生：150歲高齡仍在「添丁」
目前，人類已知有穩定同位素存在的最重原子核的是鉛（82號元素），其後的各種重原子核都有衰變傾向。所以，要製造超重元素，科學家們必須用一些特殊的技巧。
在元素周期表中，原子序數100之前的人造元素，主要是通過α粒子、H+、中子等輕核轟擊較重的原子核獲得的；原子序數大於100的元素，則需要通過一個高速運動的較輕原子核（如C—Zn）轟擊另一個較重的原子核使二者之間發生聚變而形成。
冷聚變技術是1970年代提出的，德國GSI中心通過這一技術製造了107至112號元素。2003年後，日本理化學研究所仁科加速器研究中心運用冷聚變技術發現了113號元素。他們將鋅發射到鉍上，2004和2005年分別得到一個原子。為了進一步證實這一發現，2006和2008年兩度再次嘗試，但均未得到結果。直到2012年，他們才再次發現了一個原子。在元素周期表中，113號元素是亞洲創造的第一個元素。
113號元素以後，製造元素的技術普遍採用熱聚變技術，通過更高的光束能量，並依賴於一種特殊同位素和大量過量中子——鈣-48。接下來的超重元素幾乎簡化成了算術問題。鈣的原子序數是20，加上原子序數95的鋂，生成第115號元素，如果加上原子序數96的鋦，生成第116號元素，以此類推。
迄今為止，IUPAC公布的最新的元素周期表將1～118號元素排出了七個周期，形成了18列（即18族）。從95號元素鋂(Am)開始，元素周期表填入的幾乎全部都是人造元素。
△杜布納聯合核子研究所內的超導加速器部分
今年春天，俄羅斯莫斯科郊外的杜布納聯合核子所的弗萊羅夫核反應實驗室尋找新元素的研究，再度起航。這間實驗室共有6個粒子加速器，它們曾為元素周期表填入了9個新的元素。