大自然的“密碼本”會被無限續(xù)寫嗎

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(xué)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(xiàn)。

1789年，法國化學(xué)家安托萬·拉瓦錫出版了已知的33種化學(xué)元素（部分為單質(zhì)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(yīng)該是世界上第一張有關(guān)元素的分類表格。

1803年，英國化學(xué)家、物理學(xué)家約翰·道爾頓提出原子學(xué)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(xué)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(zhì)量，不可能有可靠的分子式，就不可能了解化學(xué)反應(yīng)，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(xué)家都對化學(xué)元素周期表的問世打下了可貴的堅實基礎(chǔ)，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(dǎo)下，他對化學(xué)知識產(chǎn)生了極大興趣。1850年，他進入彼得堡師范學(xué)院學(xué)習(xí)，畢業(yè)后曾擔(dān)任中學(xué)教師，后任彼得堡大學(xué)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(xué)課程，著手著述一本化學(xué)教科書——《化學(xué)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(dāng)時已知的63種元素。

門捷列夫想在學(xué)生面前展開一幅描寫物質(zhì)統(tǒng)一性和邏輯性的畫面，指出宇宙萬物構(gòu)造的幾條重要法則，可當(dāng)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(zhì)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(chǔ)上，門捷列夫苦苦探尋元素的準(zhǔn)確原子量和元素性質(zhì)之間的關(guān)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(xué)原理》一書的寫作，為他發(fā)明元素周期表打下了基礎(chǔ)。他進行了“在原子量和化學(xué)性質(zhì)相似性基礎(chǔ)上構(gòu)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(zhì)的周期性，這標(biāo)志著化學(xué)元素周期律發(fā)現(xiàn)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(xué)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(xiàn)。他指出，按著原子質(zhì)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(xiàn)，因此周期律可以預(yù)言尚待發(fā)現(xiàn)的元素。同時，他還準(zhǔn)確預(yù)測了缺失元素的性質(zhì)。

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(jì)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(xué)的最高境界應(yīng)是哲學(xué)思想的體現(xiàn)。正如恩格斯所說：“門捷列夫不自覺地應(yīng)用黑格爾的量轉(zhuǎn)化為質(zhì)的規(guī)律，完成了科學(xué)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。”

元素周期表到底要不要重排

未來科學(xué)不會推翻元素周期表。原子結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)非但沒有推翻門捷列夫元素周期表排列的科學(xué)性，反而發(fā)現(xiàn)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(xiàn)。1895年后，惰性稀有氣體元素陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)。門捷列夫尊重科學(xué)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(gòu)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(xiàn)和安排也沒有跟元素周期律及周期表發(fā)生矛盾。

19世紀(jì)末至20世紀(jì)初，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了電子、質(zhì)子、中子和原子核。1911年，英國物理學(xué)家盧瑟福提出，原子的質(zhì)量主要集中在原子核上（質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)合起來表現(xiàn)為原子量），原子核的電荷數(shù)等于元素的原子序數(shù)，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(xué)的本質(zhì)基礎(chǔ)上。直到1921年，丹麥物理學(xué)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(jié)構(gòu)理論，再次發(fā)展了元素周期律。

量子化學(xué)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(zhì)。元素性質(zhì)的周期性變化是由于原子的電子層結(jié)構(gòu)有周期性變化，這深刻而準(zhǔn)確地反映了原子的微觀結(jié)構(gòu)，使周期律更加完善。

可見，元素周期表的發(fā)展經(jīng)歷了許多考驗。原子結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)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(xiàn)它們竟是如此驚人的一致——至今，新元素的發(fā)現(xiàn)都是符合原子物理規(guī)律的，并在人類預(yù)測的范圍之內(nèi)。

周期表對元素周期律實質(zhì)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(xiàn)和合成的指導(dǎo)性，一次次向世人證明，元素周期表不需要重排，未來科學(xué)也不會將它推翻。

人工合成元素會無限擴展周期表嗎

化學(xué)元素周期表的形成和發(fā)展，是科學(xué)史上的一個重要里程碑，離不開一代代科學(xué)家們的卓越研究和不斷完善，這些偉大的科學(xué)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(xué)上用“超鈾元素”泛指原子序數(shù)在92（鈾）以上的重元素。1944年，美國核化學(xué)家西博格根據(jù)重元素的電子結(jié)構(gòu)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(jù)電子結(jié)構(gòu)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(xué)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(dǎo)地位的形式美”。這是自然界物質(zhì)運動內(nèi)在美的體現(xiàn)，是自由創(chuàng)造美與自然科學(xué)美的結(jié)合。

繼104號至118號元素被成功合成、并得到“國際純粹與應(yīng)用化學(xué)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(shù)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(xué)家們在自然界和人工合成兩個領(lǐng)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(xué)探究告訴我們，元素周期表可能存在一個上限。這是因為，質(zhì)子帶正電，是強相互作用克服了質(zhì)子間的庫倫斥力，把質(zhì)子和中子束縛在原子核內(nèi)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》）