元素周期律的沉浮

文|王震元

元素周期律的沉浮

文|王震元

恩格斯高度評價(jià)：門捷列夫完成了科學(xué)上的一個(gè)勛業(yè)，這個(gè)勛業(yè)可以和勒維烈計(jì)算尚未知道的行星——海王星軌道的勛業(yè)居于同等地位……

19世紀(jì)以來，隨著生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展，一系列新元素接連不斷地被發(fā)現(xiàn)，到1869年已有63種元素為人們所認(rèn)識。但是，當(dāng)時(shí)化學(xué)界有一股經(jīng)驗(yàn)主義習(xí)氣，一些化學(xué)家滿足于經(jīng)驗(yàn)性研究，每出現(xiàn)一種元素就對其特性進(jìn)行測定，使得他們往往是“只見樹木不見森林”，陷入了元素“迷宮”中。于是，俄國化學(xué)家門捷列夫就提出了這樣的問題：各種各樣的元素之間是否存在著內(nèi)在聯(lián)系呢？

門捷列夫創(chuàng)新路 元素“迷宮”顯曙光

在門捷列夫生活的年代，有關(guān)化學(xué)元素的背景知識主要是兩個(gè)方面：元素的性質(zhì)與原子量。這里不妨引述一段門捷列夫?qū)ψ约貉芯炕顒拥幕貞洠骸盎瘜W(xué)這門研究物質(zhì)的科學(xué)的歷史，一定會引導(dǎo)人們——不管人們愿不愿意——不但要承認(rèn)物質(zhì)質(zhì)量的永恒性，而且要承認(rèn)元素化學(xué)性質(zhì)的永恒性。因此，我自然而然地就產(chǎn)生了這樣的思想：在元素的質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)之間，一定存在著某種聯(lián)系。物質(zhì)的質(zhì)量既然最后成為原子的形態(tài)，就應(yīng)該找出元素特性和它的原子量之間的關(guān)系……于是我就開始收集，將元素的名字寫在紙片上，記下它們的原子量和某種特性，把相似元素和相近的原子量排列在一起……因此，一方面尋找元素的性質(zhì)與其原子量之間的關(guān)系；而在另一方面，尋求其相似點(diǎn)與原子量之間的關(guān)系。這算是最簡捷和極自然的想法了?！?/p>

從門捷列夫的敘述中，我們不難看出他進(jìn)行了三個(gè)方面的分析：一是分析元素的性質(zhì)（定性分析），二是分析元素的原子量（定量分析），三是分析元素的性質(zhì)差異與原子量大小之間的關(guān)系（系統(tǒng)分析）。

與此同時(shí)，門捷列夫?qū)ι鲜龇治鲇肿髁讼鄳?yīng)的綜合：一是按元素化學(xué)性質(zhì)對所有元素進(jìn)行分類綜合，這是縱向綜合；二是按元素原子量的大小對所有元素進(jìn)行排列順序綜合，這是橫向綜合；三是將上述兩種綜合聯(lián)系起來，尋求元素的性質(zhì)與其原子量關(guān)系的規(guī)律，這是系統(tǒng)綜合。

門捷列夫正是運(yùn)用這種“分析-綜合”的方法，發(fā)現(xiàn)了元素的化學(xué)性質(zhì)隨原子量的增加而呈周期性變化的趨勢。

應(yīng)當(dāng)著重指出：門捷列夫不僅使用了“分析-綜合”這種常規(guī)的邏輯思維方法，而且運(yùn)用聯(lián)想、想象等形象思維方法進(jìn)行推導(dǎo)。這是因?yàn)楫?dāng)時(shí)有些元素尚未被發(fā)現(xiàn)，已發(fā)現(xiàn)的元素中有的原子量數(shù)據(jù)有誤。

例如，按照當(dāng)時(shí)的測定，銦的原子量為75.4，銦應(yīng)該排在硒的前面、砷的后面。但這樣一來，磷與砷、硫與硒這兩對性質(zhì)相似的元素就無法分別排在同一個(gè)縱向行列中了，因此圖表就亂了套了。門捷列夫推測，銦的原子量很可能搞錯(cuò)了，就在表上將它的位置移至鎘與錫之間。

又如，按照原子量的大小順序排隊(duì)，鋅后面是砷，從縱向觀察，砷應(yīng)當(dāng)排在鋁的下面。但是，砷的性質(zhì)明顯與磷相似，與鋁根本不同。于是門捷列夫大膽地在鋅與砷之間留出兩個(gè)“空位”，預(yù)言有兩個(gè)尚未發(fā)現(xiàn)的新元素（“類鋁”和“類硅”）。此外，在鈣與鈦之間，他也預(yù)言有一個(gè)元素（“類硼”）缺位。顯然，門捷列夫如果不是運(yùn)用了聯(lián)想、想象、直覺等一系列形象思維方法，是不可能從“醞釀”進(jìn)入“明朗”，完成這張具有創(chuàng)新價(jià)值的元素周期表的。

1869年2月17日，門捷列夫排出第一張化學(xué)元素周期表，并在相關(guān)論文中明確指出：按照原子量大小排列起來的元素，在性質(zhì)上呈現(xiàn)明顯的周期性。他在《元素的自然系統(tǒng)以及它在判斷未知元素的性質(zhì)方面的應(yīng)用》一文中，進(jìn)一步明確肯定了自己的預(yù)言。

自相矛盾難圓說 步入晚年陷迷誤

門捷列夫的假設(shè)經(jīng)受了實(shí)踐的檢驗(yàn)：表上的“空位置”一個(gè)又一個(gè)地被“填充”——陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了“鎵”（類鋁）、鍺（類硅）、鈧等新元素。它們的物理、化學(xué)性質(zhì)，特別是原子量，與門捷列夫的預(yù)言驚人地吻合。例如，據(jù)進(jìn)一步精確測定，銦的原子量（取整數(shù)）為114；而鎘與錫的原子量（也都取整數(shù)）分別為112和118，所以銦在元素周期表上的位置確應(yīng)排列在鎘與錫之間。這就表明門捷列夫正確地解釋了元素的性質(zhì)與原子量之間呈周期性變化的客觀規(guī)律。對此，恩格斯作了高度評價(jià)：門捷列夫完成了科學(xué)上的一個(gè)勛業(yè)，這個(gè)勛業(yè)可以和勒維烈計(jì)算尚未知道的行星——海王星軌道的勛業(yè)居于同等地位。

門捷列夫生活的時(shí)代，由于人們對原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的了解還是很茫然，因而他不可能進(jìn)一步回答為什么元素的性質(zhì)與其原子量的大小存在著周期性變化這個(gè)根本問題。

首先，反映在周期表上就形成了這樣的矛盾：有三對元素，如果按照原子量遞增的次序排列，應(yīng)該是鉀在氬之前、鎳在鈷之前、碘在碲之前。盡管門捷列夫從元素的相關(guān)性質(zhì)出發(fā)，對其作了順序相反的“例外”處理，表現(xiàn)了這位化學(xué)家對客觀事實(shí)的尊重，但是由于這種無法自圓其說的“例外”破壞了元素周期表的統(tǒng)一性，因而作為一種科學(xué)理論，門捷列夫的表述顯然不夠成熟和嚴(yán)謹(jǐn)。

其次，在元素氫和氦之間有一排空位是否可能存在新元素，門捷列夫并未明確回答。相反，他“曾設(shè)想過存在比氫還要輕的元素”。更讓人遺憾的是門捷列夫到了晚年，面對放射性元素和原子中存在電子等物理學(xué)上的一系列新發(fā)現(xiàn)，其思想未能“與時(shí)俱進(jìn)”——從元素不能轉(zhuǎn)化、原子不可分割等傳統(tǒng)觀念中解脫出來。他竟“預(yù)言了”原子量小于1的NewTonium（原子量0.17）和Coronium（原子量0.4）兩種所謂的“新元素”存在，從而陷入了誤區(qū)。

于是，進(jìn)一步完善元素周期律的重任自然就歷史性地落到了20世紀(jì)的科學(xué)家肩上。

莫斯萊疆場喋血 失諾獎(jiǎng)英名永存

對完善元素周期律作出重大貢獻(xiàn)的是英國青年物理學(xué)家莫斯萊。他不但深信老師盧瑟福的論斷：一個(gè)元素的原子質(zhì)量越大，其原子核帶的陽電荷越多，外圍的電子數(shù)也就越多；而且更想進(jìn)一步搞清楚元素在周期表上的排列順序，與其原子核中的核電荷數(shù)之間究竟是什么關(guān)系。

1913年，年僅26歲的莫斯萊決定利用發(fā)現(xiàn)不久的X射線解決這個(gè)問題。大家知道，用同一塊石頭，以同一速度投進(jìn)不同物質(zhì)中例如水、油或者水銀中時(shí)，會產(chǎn)生不同波長的波紋。換句話說，不同波長反映了不同物質(zhì)的特性。根據(jù)相似的原理，莫斯萊在特制的X射線管中，把需測試的某種元素作為靶——陽極，讓它受到陰極上發(fā)出的電子轟擊而產(chǎn)生X射線。

他發(fā)現(xiàn)，元素的原子序列每進(jìn)一位，其X射線譜中任何一根線的頻率（波長的倒數(shù)）的平方根增加值幾乎是一個(gè)常數(shù)。X射線頻率的改變與產(chǎn)生X射線的元素原子核中的陽電荷數(shù)增加有直接關(guān)系。莫斯萊終于明白：原來元素在周期表上的排列序號就是該元素的原子核所帶的單位陽電荷數(shù)。根據(jù)整個(gè)原子呈中性的原則，在原子核外面顯然有同等數(shù)目的電子。這樣，門捷列夫當(dāng)年遺留的問題就不難回答了。

從原子量的角度看，氫是1，氦是4，中間可能還有原子量為2、3的新元素存在；而據(jù)莫斯萊的測定，氫的原子序數(shù)為最小值1，氦的原子序數(shù)為2，在氫和氦的空位之間就不必浪費(fèi)精力去尋找什么新元素。至于原子量小于1的新元素當(dāng)然更無存在的可能了。

再從原子序數(shù)大小比較，氬（18）排在鉀（19）前面、鈷（27）排在鎳（28）前面、碲（52）排在碘（53）前面，它們的順序完全是正常的，并沒有什么“例外”。當(dāng)然，細(xì)心的讀者也一定會發(fā)現(xiàn)，莫斯萊并沒有進(jìn)一步回答：元素的原子序數(shù)與它的原子量究竟是否有關(guān)？這個(gè)問題直到1932年查德威克發(fā)現(xiàn)中子，并經(jīng)科學(xué)界公認(rèn)任何一種元素（除了普通的氫元素以外）的原子核，都是由不同數(shù)量的帶正電荷的質(zhì)子和不帶電荷的中子組成后，才找到了正確答案。

原來，一種元素的原子序數(shù)就是該元素原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)?？茖W(xué)家們還證實(shí)：一種元素原子核的質(zhì)量幾乎等于該原子的全部質(zhì)量（原子量）。這樣就可以簡化成：原子量=質(zhì)子數(shù)（原子序數(shù)）+中子數(shù)。在一般情況下，原子核內(nèi)中子數(shù)與質(zhì)子數(shù)是“同步”增加的。但也有少數(shù)原子核不“同步”。這就是門捷列夫認(rèn)為三對元素排列順序“例外”的根本原因。雖然由于受時(shí)代的局限，莫斯萊未能預(yù)見中子的發(fā)現(xiàn)，但他對原子量，特別是原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識明顯比門捷列夫深刻得多。

1914年初，莫斯萊將他的這一發(fā)現(xiàn)寫成題為《元素光譜的高振動數(shù)》等兩篇論文，在權(quán)威刊物《菲爾·瑪克》上發(fā)表，受到了科學(xué)家們的廣泛重視。他們認(rèn)為當(dāng)年諾貝爾獎(jiǎng)非莫斯萊莫屬。

1916年，德國的柯賽爾更正式用原子序數(shù)代替原子量，對元素周期律作了現(xiàn)代科學(xué)意義上的準(zhǔn)確表述：元素及其形成的單質(zhì)和化合物的性質(zhì)，隨著元素原子序數(shù)（核電荷數(shù)）的遞增而呈周期性變化。

令人惋惜的是，當(dāng)?shù)谝淮螝W戰(zhàn)爆發(fā)后，莫斯萊投筆從戎，不久就把熱血灑在疆場上，年僅27歲，成為一顆過早隕落的科學(xué)巨星。