一張簡潔的元素周期表，一部世界通用的科學「聖經」。她承載了宇宙的浩瀚、生命的精巧以及科學的縝密
出品：科普中國
製作：蘇更林
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
一張簡潔的元素周期表，一部世界通用的科學「聖經」。她承載了宇宙的浩瀚、生命的精巧以及科學的縝密……門捷列夫的思想光輝賦予了周期表玩轉世界的力量。值此紀念元素周期表誕生150周年之際，謹向那些為元素周期表建設做出貢獻的大師們致以崇高的敬意！
△球形周期表（圖片來源：https://www.meta-synthesis.com/webbook/35_pt/pt_database.php?PT_id=53）
周期表橫空出世
門捷列夫花了幾年功夫潛心研究和收集元素數據，並把每個元素分別寫在紙片上，在卡片上寫上原子量以及相關信息，從而製成了一副由63張牌組成的「撲克牌」。
日復一日，年復一年，門捷列夫一直擺弄著他的「撲克牌」。有一次，他接連擺弄了三天三夜，以至於對前來拜訪的老朋友都不屑一顧。慢慢地，他發現了原子量在元素分類中的重要意義。
門捷列夫的手稿（圖片來源：澎湃新聞網截圖）
關於門捷列夫周期表的出世，流傳的版本很多，其中在睡夢中產生周期律思想的說法流傳最廣。有人說這就是靈感的魅力，其實靈感就是人們智力的一種特殊表現形式，它不會偶然地憑空產生和迸發，只有長期執著一念忘我探索的人才有可能突發靈感。事實上，門捷列夫周期律思想的孕育大約經歷了十來年的時間。真可謂是「十年磨一表」呀！
歷史會銘記，1869年2月17日，是門捷列夫化學元素周期表的誕生日。一個月後，俄羅斯化學會收到了門捷列夫的一份科學報告，題目就是《元素的性質與其原子量的關係》。這實際上就是門捷列夫發現的化學元素周期律。門捷列夫的這一發現刊發在俄國化學會會刊的第一卷上。
但是，對於門捷列夫的周期律，贊成者有之，質疑者也不在少數。
「無冕之王」的靈感啟蒙
門捷列夫（1834年-1907年)出生於西伯利亞的託博爾斯克。1850年，門捷列夫隨母親輾轉來到聖彼得堡，在一所師範學院開始了教師培訓。1857年，門捷列夫擔任聖彼得堡大學化學系副教授。1859年至1861年間，門捷列夫被公派出國，先後在巴黎的勒納爾特等地學習。1861年，門捷列夫回到聖彼得堡。1869年，門捷列夫成為聖彼得堡大學的普通化學教授，繼續進行化學元素方面的研究創新。
在當時，人們對元素的認識支離破碎，沒有權威的化學教科書。門捷列夫立志當一名好老師，因此決定寫一本像樣的化學教科書。
然而，那時人們對於元素的認識還是十分模糊的，原子量的精確測量也都是難題，這些都限制了人們對於元素整體關係的探索。這個時候，他想起了曾為他點亮「心燈」的老前輩。
1860年的一次學術交流會議，是周期表發展歷史上的一個重要節點。這一年的9月，第一屆國際化學大會在德國卡爾斯魯厄舉行。來自許多國家的化學精英們出席了大會，並就化學界的一些前沿問題進行了激烈的討論，年輕的門捷列夫有幸參加了這次大會。
會議結束時，義大利藥劑師卡尼扎羅向與會者分發了一份關於元素原子重量的決定性文件。卡尼扎羅是阿伏加德羅氣體定律的支持者，並將其應用於原子量計算。
卡尼扎羅提出的原子量清單，在當時為已知最為準確的原子量清單。阿伏加德羅的思想光輝令門捷列夫的心裡亮堂了許多，那份清單同樣也對門捷列夫醞釀周期律產生了重要影響。
元素周期表的誕生之路
對於元素周期表的研究，門捷列夫不是第一人，也不是最後一人。元素周期表的演進，凝聚了一代代科學家的智慧。
法國著名化學家拉瓦錫首次將元素定義為基本物質，並於1789年出版了第一個元素表。他的元素表共列出了當時已知的33種元素，但實際上只包含了23種元素，因為他把一些非單質以及光和熱也列為了元素。拉瓦錫關於元素的定義以及元素表的出版，為近代化學的發展奠定了基礎。
1803年，英國化學家道爾頓為了解釋化學實驗現象，創立了一種新的原子理論。他還發表第一張原子量表，為後人測定元素原子量奠定了基礎。
尚庫爾圖瓦斯（De Chancourtois）為法國的一名地質學家，於1862年發表了一個被稱為「地螺旋」（Telluric Screw）的周期律方案。這是一個卓越的立體形式的發明，雖然引起了地學工作者的興趣，但是沒有引起化學工作者的興趣。直到1869年門捷列夫周期表發表之後才被科學界廣泛認可。
尚庫爾圖瓦斯「地螺旋」周期律方案（圖片來源：http://dataphys.org/list/telluric-screw-of-de-chancourtois/）
1864年，英國科學家紐蘭茲設計的元素周期表，是根據元素的相對原子量進行分類的。他發現周期律與八音律有著異曲同工之妙，因此將該周期表命名為「八度律」。然而，這篇論文受到當時英國學術界的嘲笑，英國化學會也拒絕刊載這篇論文。
1869年，一位名叫邁耶的德國化學家與門捷列夫幾乎同時各自發明了自己的周期表，並且都是按照原子量進行排列的。只是邁耶對物理性質的周期性印象更深，而門捷列夫對化學性質更感興趣。然而，邁耶周期表的發表還是比門捷列夫慢了半拍。
在創建元素周期表的賽跑中，也許造就了許多個英雄，但是「第一」只有一個。實際上，門捷列夫也是一個集大成者，是站在巨人的肩膀上走向科學之巔的。即便如此，門捷列夫被譽為「元素帝國」的無冕之王也是當之無愧的。
門捷列夫之所以成為勝利者，源於他對化學的精通，以及具有洞察力的直覺，更重要的他那具有深邃內涵的思想之光。除此之外，他還十分重視宣傳自己的周期律。
△門捷列夫演講入場券（圖片來源http://www.rsc.org/news-events/features/2019/jan/finding-the-periodic-table/）
誕生於化學沃土的門捷列夫元素周期表，經受住了來自日後的各種考驗，並被應用於幾乎所有的自然科學領域。有學者斷言，如果有一天，人類要與宇宙中其他文明進行對話，那張漂亮別致的周期表也許就是地球文明的一個「標籤」。
成功預測贏得口碑
為每個元素都找到一個「家」，是門捷列夫進行元素排列的基本目標，但並不是「居者有其屋」那麼簡單。
門捷列夫的周期表是按照元素的原子量從輕到重進行編排的，並且性質會發生周期性變化。門捷列夫的高明之處，還在於他在「元素帝國大廈」中為未知元素預留了「房間」。
△「元素帝國」大廈（圖片來源：http://www.sohu.com/a/147050938_489486）
門捷列夫對元素鎵、鈧和鍺的成功預測，就是他贏得口碑的一個重要原因。
1875年，法國化學家布瓦博德蘭從閃鋅礦中發現了鎵元素，元素符號定為Ga，中文名為「鎵」。門捷列夫預測的比重為5.9—6克/立方釐米，而發現者測定的比重為4.7克/立方釐米。1876年5月，法國科學院在院刊上公布了布瓦博德蘭關於鎵的新發現。不久，布瓦博德蘭就收到了門捷列夫寫來的信件，信中說讓他重新測定一下鎵的比重。
於是，布瓦博德朗把鎵提純之後重新進行了測量，鎵的比重實測值為5.96，與門捷列夫的預測十分吻合！布瓦博德朗甚是驚訝，他還寫信對門捷列夫表示感謝。此事在歐洲的震動很大，門捷列夫贏得了很好的口碑，自然擴大了他的周期表的影響力。
而若干年之後，發現鈧和鍺的喜訊也相繼傳來。1879年，瑞典化學家尼爾森從鐿土中發現了鈧元素；1886年，德國化學家文克勒從硫銀鍺礦中發現了鍺元素。並且，鈧和鍺的理化性質都與門捷列夫的預測相一致，從而為門捷列夫周期律的科學性提供了有力的證據。
收編「惰性一族」贏得最終勝利
說起門捷列夫的最終勝利，還真的有點戲劇色彩。門捷列夫的元素周期表原本是沒有為惰性氣體預留空間的。可拉姆齊等人在19世紀90年代的發現，著實讓門捷列夫有點措手不及。
拉姆齊是一個實驗高手，為1904年諾貝爾化學獎得主。1894年，拉姆齊等人分離出了氬元素，第二年他又發現了氦元素，接著還發現了氖、氪和氙。這些元素都非常低調，不能與其他元素結合。拉姆齊對門捷列夫的周期律有著深刻的理解，並以高超的技術測量了這些元素的原子量。按理，氦應當排在氫與鋰之間，然而卻沒有這一族。
△門捷列夫塑像（圖片來源：https://learnodo-newtonic.com/dmitri-mendeleev-facts）
其實，門捷列夫比拉姆齊更著急。自己精心設計的「元素帝國大廈」，眼看就要被這些「不倫不類」的氣體給摧毀，能不著急嗎？！他認為，像氬氣這樣的新氣體，根本就「不合群」，似乎不適合放在我的周期表中。
然而，氦、氖、氬、氪、氙的行為又有驚人的相似處，即都是非常惰性的，並且它們的原子量又呈規律性的增加。所以，門捷列夫對周期表系統進行了一次最大的修改，專門為惰性氣體設置了一個新專欄。
而門捷列夫從拒絕到收編「惰性一族」，使得門捷列夫周期律的科學性得到了進一步證明。1906年，門捷列夫在生前最後一版《化學原理》一書中把「惰性一族」排進了周期表。
周期律走向世界
門捷列夫的成功，使其在國際上享有了極高的聲譽。於是，各種演講邀請紛至沓來。門捷列夫通過這些演講和講座，結識了科學界的許多精英，同時也擴大了周期表的國際影響。他的經典著作《化學原理》分上、下兩卷出版，上卷收錄了氫、氧、氮、碳等8種常見的元素，下卷收錄了剩餘的55種元素。《化學原理》被譯成多種文字，與元素周期表一起流傳了150年，從而把周期律推向了全世界。
而中國近代著名科普出版家、翻譯家杜亞泉創辦的《亞泉雜誌》，則為元素周期表在我國的傳播做出了重要貢獻。1900年創刊號刊發的《化學原質新表》，介紹了當時已被確認的76種元素。1901年第6期刊發的《化學周期律》，系統介紹了門捷列夫元素周期律。
△杜亞泉(1873-1933)（圖片來源：https://baike.so.com/doc/8704958-9027098.html）
△《亞泉雜誌》（創刊號）刊發的《化學原質新表》
（圖片來源：2009-02-26《科學時報》）
我們知道，最初的門捷列夫周期表是按照原子量的大小進行排列的，同時考慮了化學性質的相似性。而現代元素周期表是按照原子序數來排列的。從原子量到原子序數，看似差別不大，實際上是一個質的飛躍。英國著名物理學家和化學家莫斯利（1887年-1915年），對物理學和化學做出的最大貢獻就是發現了原子序數這一概念。原子序數等於質子或電子的數量。雖然戰爭奪去了這位天才科學家的年輕生命，然而他的原子序數概念卻為改進元素在周期表中的排列方式提供了科學依據。
門捷列夫的周期律雖然取得了巨大的成功，但是對於周期律背後的秘密並不清楚，這也是門捷列夫十分糾結的一個問題。1913年，英國物理學家莫斯利提出的原子序數的概念，對於門捷列夫之前的直覺提供了確切的實驗基礎，從而使得元素在周期表的排序更為精確。
莫斯利根據元素的原子序數而不是原子量將元素周期表重新進行排列之後，顯示了一些未被發現的空缺位置（如43號、61號、72號和75號）。現在，這些序數的元素均已被發現，分別為鎝、鉕、鉿和錸。
與時俱進的周期表
我們現在使用的周期表，看上去與門捷列夫早期的周期表相差甚遠，這就是周期表與時俱進的結果。無數科學家在這個過程中付出了辛勤和汗水。
門捷列夫曾說過：「規律永遠是一些變數的適應，就像代數中變數和函數的關係一樣。」言外之意是說，我的周期表也難以突破時代的局限，因此需要後人來揭示元素規律的真諦。
門捷列夫早期的周期表（圖片來源：davidjohnewart.com，紅圈為筆者所加，內有問號）
細心的讀者可能會發現，在門捷列夫最初的周期表中，有好幾個元素的質量都被打上了問號。困擾了門捷列夫一生的「原子量顛倒問題」，終於隨著同位素和中子的發現而變得迎刃而解了。
周期表的最後一次完善是由格倫西博格完成的。西博格為1951年諾貝爾化學獎得主，先後發現了元素鈽、鋂、鋦、鉳、鉲、鑀、鐨、鍆和鍩，並把錒系元素置於鑭系元素之下，重新配置了元素周期表。
△西博格（圖片來源：http://www.achievement.org/achiever/glenn-t-seaborg-ph-d/）
△元素周期表（圖片來源：https://www.thoughtco.com/element-families-606670）
門捷列夫的周期表奠定了現代元素周期表的基礎。150年來，周期表已經在科學、技術、社會三個維度上發揮了重要作用。也許還有人在為諾獎拒絕門捷列夫而憤憤不平，而今年全世界都來為周期表慶賀生日，是不是口碑要勝過獎盃呢？
參考文獻：
[1]凌永樂.《化學元素周期系史話》，化學工業出版社，2011年版。
[2]李紹山，王斌，王衍荷.《化學元素周期表漫談》，化學工業出版社，2011年版。
[3]（日）宮村一夫編著，張琳譯.《化學元素大研究》，人民郵電出版社，2014年版。