編者按：門(mén)捷列夫的元素周期表伴隨了我們已整整150年，但在這期間內(nèi)，化學(xué)家們卻仍然致力于根據(jù)最新的發(fā)現(xiàn)來(lái)修改和完善它，隨著越來(lái)越多的元素被發(fā)現(xiàn)和合成，元素周期表的形式也變得五花八門(mén)。本文譯自《紐約時(shí)報(bào)》中原標(biāo)題為“Is It Time to Upend the Periodic Table”的文章，本文作者Siobhan Roberts。
Alex Eben Meyer
英國(guó)諾丁漢大學(xué)的化學(xué)家Martyn Poliakoff，知道了一個(gè)叫作元素周期表戰(zhàn)艦的游戲后，忍不住便開(kāi)始想象其元素的反向艦隊(duì)，也就是對(duì)手玩家的觀點(diǎn)。
沒(méi)想到，Poliakoff的這個(gè)念頭催生了一個(gè)瘋狂的想法。5月，恰逢聯(lián)合國(guó)教科文組織慶祝國(guó)際周期表誕生150周年，Martyn及其合作者，包括他的女兒——曼徹斯特大學(xué)實(shí)驗(yàn)心理學(xué)家Ellen Poliakoff共同發(fā)表了一篇論文，其中提出了一項(xiàng)建議，那就是大刀闊斧地改革元素周期表。
“自1869年以來(lái)，幾代化學(xué)家提出了多種針對(duì)元素周期表形式的變化方法，為的就是讓它變得更加清晰，或者說(shuō)更加有趣。”他們這樣寫(xiě)道。
由俄羅斯化學(xué)家門(mén)捷列夫初步設(shè)計(jì)的標(biāo)志性元素周期表已經(jīng)發(fā)展成按照原子序數(shù)排列的化學(xué)元素的二維排列，通常為18列。它展示了一種模式化的方法和趨勢(shì)，讓科學(xué)家能夠預(yù)測(cè)元素屬性，反應(yīng)性，甚至是新元素。它被稱(chēng)為“大自然的羅塞塔石碑”、“化學(xué)家的地圖”和“可能是迄今為止設(shè)計(jì)最緊湊和最有意義的知識(shí)匯編”。
Gregory Girolami在和妻子Vera Mainz的聯(lián)合采訪中說(shuō)：“這就好比看一張美國(guó)地圖，如果我在緬因州，就可以看出那兒的氣溫會(huì)低于我在佛羅里達(dá)的溫度。”他們二位都是伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的無(wú)機(jī)化學(xué)家，并在今年和雪城Le Moyne學(xué)院的化學(xué)家Carmen Giunta共同組織了一個(gè)150周年的學(xué)術(shù)研討會(huì)，這個(gè)研討會(huì)在圣地亞哥召開(kāi)的美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)全國(guó)會(huì)議召開(kāi)期間期間舉行。
“如果你告訴我一個(gè)元素在某個(gè)地方，”Girolami博士說(shuō)，“我可以告訴你很多關(guān)于它的事情，比如它是否是金屬，在地球上儲(chǔ)量是否豐富，只需要注意它在元素周期表中的位置就可以了?！?/p>
Mainz博士補(bǔ)充說(shuō)：“如果你想和一個(gè)外星種族交流，那就建一個(gè)元素周期表，因?yàn)樗呐挪际峭ㄓ玫?，不管你身在何處?！?/p>
互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的元素周期表有1000多個(gè)版本，包括元素稀缺表，有形似蛋糕、鐘表、樂(lè)高和三行詩(shī)的周期表，還有一些更多的技術(shù)改編。數(shù)學(xué)家、音樂(lè)家Tom Lehrer將其加入到音樂(lè)里（吉爾伯特和沙利文），還有意大利化學(xué)家、作家和奧斯威辛集中營(yíng)幸存者Primo Levi還把它當(dāng)作特殊的回憶錄（即“元素周期表”）的基礎(chǔ)。
“許多人似乎相信只有一個(gè)真正的元素周期表，無(wú)論是已經(jīng)存在的還是正在等著被發(fā)現(xiàn)的，他們都會(huì)不遺余力地討論著不同類(lèi)型元素周期表的有效性，”P(pán)oliakoff博士這么說(shuō)，他是個(gè)在Brady Haran制作的元素周期表系列視頻里的YouTube名人。（在A.C.S.會(huì)議上，Poliakoff博士獲得了一份殊榮，為表彰他為普羅大眾清楚解釋了什么是化學(xué)。）“我的感覺(jué)是，大多數(shù)類(lèi)型的化學(xué)元素周期表都同樣有效，只取決于你想要的內(nèi)容?！?/p>
反轉(zhuǎn)（the upside down）的版本旨在展示一個(gè)全新視角的價(jià)值觀。作者們寫(xiě)道：“我們并沒(méi)有聲稱(chēng)我們的版本比傳統(tǒng)的更“正確”，“但從一個(gè)新的觀點(diǎn)看問(wèn)題往往會(huì)催生出新的想法?！?/p>為什么不按照字母順序排列呢？
元素周期表給長(zhǎng)期以來(lái)一直比較弱的調(diào)查領(lǐng)域帶來(lái)了穩(wěn)固性。牛頓先生，在他1717年的著作《光學(xué)》里第31個(gè)疑問(wèn)中，根據(jù)反應(yīng)性列出了化合物，并對(duì)其進(jìn)行排序。1718年，第一個(gè)“親和表”是由法國(guó)化學(xué)家étienne Fran?ois Geoffroy制作的，它以圖形的形式對(duì)材料的反應(yīng)性進(jìn)行了排序，親近大自然的觀察家指出，某些化學(xué)元素如鋰，鈉和鉀——如今被稱(chēng)為堿金屬——都是軟的，可以漂浮在水面上。但是這種定性分類(lèi)僅僅提供了一個(gè)不穩(wěn)定的基礎(chǔ)。
突破始于1860年，當(dāng)時(shí)的意大利化學(xué)家Stanislao Cannizzaro為原子量的討論奠定了基礎(chǔ)。在當(dāng)時(shí)，有一些相互沖突的原子量循環(huán)列表，以及關(guān)于是什么構(gòu)成了原子與分子的不同假設(shè)。Cannizzaro列出了已知元素的原子量列表，以及價(jià)值觀的基本原理，并在德國(guó)卡爾斯魯厄的一次會(huì)議上作為小冊(cè)子發(fā)布了。
加州大學(xué)洛杉磯分校的歷史學(xué)家和科學(xué)哲學(xué)家Eric Scerri說(shuō)：“在大約7年的時(shí)間里，最初由我所謂的六個(gè)人同時(shí)發(fā)現(xiàn)的成果，在門(mén)捷列夫的時(shí)代達(dá)到了高潮?！盓ric Scerri在元素周期表發(fā)展史方面也是個(gè)專(zhuān)家。（他的書(shū)《元素周期表：關(guān)于它的故事和意義》，將于10月被牛津大學(xué)出版社更新再版）。
1862年，法國(guó)的地質(zhì)學(xué)家Alexandre-émile Béguyer de Chancourtois制作了一個(gè)三維桌子，在它的金屬圓柱周?chē)讨?。根?jù)“八行周期律”，倫敦的糖化學(xué)家John Newlands按照原子量來(lái)排列元素，八個(gè)一組。
“它會(huì)被嘲笑和摒棄的，“Scerri 博士說(shuō)道。（當(dāng)一個(gè)評(píng)論家問(wèn)他，為什么不按字幕順序排列元素？）
英國(guó)化學(xué)家 William Odling發(fā)現(xiàn)了“周期律”——一個(gè)元素族的性質(zhì)，這些元素大致以規(guī)律的間隔重復(fù)出現(xiàn)。丹麥移民美國(guó)的Gustavus Hinrichs提出了徑向排序?！拔野阉凶髯孕熊?chē)輪周期表，”Scerri博士說(shuō)。
德國(guó)化學(xué)家Lothar Meyer在1864年創(chuàng)建了一個(gè)部分周期表，接著在1869年給出了一個(gè)更完整的版本。凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的科學(xué)歷史學(xué)家Alan Rocke認(rèn)為：“在結(jié)構(gòu)上，Meyer和門(mén)捷列夫的周期表非常相似”，他在A.C.S的周年研討會(huì)上發(fā)表關(guān)于Meyer的言論時(shí)這么說(shuō)。
Rocke博士說(shuō)，最初，元素周期性及其卓越的預(yù)測(cè)能力似乎是一個(gè)“數(shù)學(xué)謎題”。在20世紀(jì)，元素周期性由量子物理學(xué)解釋——特別是物理學(xué)中電子如何圍繞原子核運(yùn)動(dòng)的部分。鋰，鈉和鉀，很好地排列在表的第一個(gè)垂直柱里——即第一組，堿金屬，銣，銫和鈁——在它們的外電子殼中都有一個(gè)電子。
這兩位化學(xué)家多年來(lái)制作了許多的周期表，并根據(jù)新發(fā)現(xiàn)和更好的數(shù)據(jù)不斷進(jìn)行調(diào)整。但最終門(mén)捷列夫的元素周期表勝出了。當(dāng)不同形式的周期表出現(xiàn)差異時(shí)，他便對(duì)應(yīng)該出現(xiàn)的元素做出預(yù)測(cè)。雖然有些預(yù)測(cè)是不對(duì)的，但他卻準(zhǔn)確地預(yù)言了三種元素的存在：鎵，鍺和鈧。
“預(yù)測(cè)在心理上是富有戲劇性的，”Scerri博士說(shuō)?！叭绻晃豢茖W(xué)家預(yù)言某事并且變成事實(shí)，那么科學(xué)家就會(huì)知道自然的秘密，或者可以說(shuō)是幾乎了解了未來(lái)?！?/p>
但科學(xué)很少通過(guò)革命推進(jìn)，Scerri博士說(shuō)：“科學(xué)是由數(shù)十萬(wàn)研究人員開(kāi)展的一項(xiàng)活動(dòng)，而這些活動(dòng)都有助于最終出現(xiàn)的大體情況?！?/p>
這也是這次周年紀(jì)念會(huì)的主題。費(fèi)城科學(xué)歷史研究所的化學(xué)歷史學(xué)家Brigitte Van Tiggelen討論了關(guān)于發(fā)現(xiàn)錸的德國(guó)化學(xué)家Ida Noddack和奧地利瑞典物理學(xué)家Lise Meitner的工作，其中，Lise Meitner曾與Otto Hahn一起發(fā)現(xiàn)了鏷元素。Van Tiggelen博士是這本叫作《女性元素》的新書(shū)的編輯，這本書(shū)探討了30多個(gè)類(lèi)似的故事，當(dāng)然包括發(fā)現(xiàn)了鐳和釙的居里夫人，她因?yàn)檫@個(gè)贏得過(guò)兩次諾貝爾獎(jiǎng)。
“我們把展示傳播這些故事當(dāng)作了一個(gè)公共的事業(yè)，”Van Tiggelen博士說(shuō)。
再見(jiàn)，煉金術(shù)在其眾多成就中，元素周期表使化學(xué)最終擺脫了煉金術(shù)的污點(diǎn)。牛頓在這方面沒(méi)什么建樹(shù)：根據(jù)牛津英語(yǔ)詞典描述，他沉迷于“Chymistry”——即煉金術(shù)的同義詞，以及識(shí)別能把賤金屬轉(zhuǎn)化為金的魔法石。
多年來(lái)，印第安納大學(xué)的科學(xué)歷史學(xué)家William Newman一直在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上重復(fù)著牛頓的工作，而最近，他正試圖找出牛頓的啤酒中所含的成分。
“牛頓所制造的一些化合物不在我們的數(shù)據(jù)庫(kù)中，”Newman博士說(shuō)，他最近出版了一本書(shū)，叫作《煉金術(shù)士牛頓：科學(xué)，謎團(tuán)和尋求自然的“秘密之火”》，“他總結(jié)了在300年后仍未發(fā)現(xiàn)的新材料?！?/p>
即使已經(jīng)在現(xiàn)代科學(xué)的光明照耀下，化學(xué)反應(yīng)卻依然深深吸引著人們的目光，Scerri博士說(shuō)：“在物理混合中，當(dāng)你將A物質(zhì)與B物質(zhì)混合時(shí)，你會(huì)得到一些他們的總和?！钡诨瘜W(xué)中，A與B結(jié)合后，你會(huì)得到一些具有新性質(zhì)的東西。
比如，我們看看鈉，這種銀色的有毒金屬，和氯，這種綠色的有毒氣體產(chǎn)生的反應(yīng)。“當(dāng)他們一起發(fā)生反應(yīng)后，會(huì)產(chǎn)生出與它們二者截然不同的東西，不僅無(wú)毒，”——而且是白色的結(jié)晶——“它就是對(duì)生命至關(guān)重要的，我們所說(shuō)的鹽，”Scerri博士說(shuō)?！斑@簡(jiǎn)直是太神奇了”。
一種煉金術(shù)在元素周期表即將迎來(lái)光明之前還起著作用，核物理學(xué)家和放射化學(xué)家用新元素打破了界限?？梢哉f(shuō)，地球上自然存在的最重的元素是鈾，其原子序數(shù)為92（原子核中有92個(gè)質(zhì)子），雖然已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了微量的镎（原子序數(shù)為93）和钚(原子序數(shù)為94)。但是元素周期表包含的不僅只此，迄今為止最重的118號(hào)元素，oganesson，是個(gè)“超重”元素，它含有118個(gè)質(zhì)子，半衰期為半毫秒。它最初于2002年由Yuri Oganessian和在莫斯科北部杜布納聯(lián)合核研究所的一個(gè)俄美跨洲研究小組研發(fā)而成的。
從2020年開(kāi)始，科學(xué)家們將嘗試著在一個(gè)新落成的超重元素工廠，用靈敏度高100倍的實(shí)驗(yàn)儀器合成119和120號(hào)元素。他們希望能達(dá)到“穩(wěn)定島”，這是一個(gè)元素周期表的假想?yún)^(qū)，由壽命更長(zhǎng)的超重元素所組成。
就像潘多拉的盒子一樣，超重元素的發(fā)現(xiàn)也產(chǎn)生了一些棘手的問(wèn)題，Oganessian博士說(shuō)。這些元素的表現(xiàn)方式是否與周期表預(yù)測(cè)的方式相同？但到目前為止，只有一些行為上的偏差是預(yù)料之中的。但隨著原子序數(shù)的增加，偏差也將迅速增加，這就挑戰(zhàn)了元素周期表系統(tǒng)的完整性。
元素周期表會(huì)繼續(xù)走下去嗎？抑或正如赫爾辛基大學(xué)的計(jì)算化學(xué)家PekkaPyykk?所說(shuō)，他2016年論文的標(biāo)題是：“周期表一切都是正確嗎（'PT OK'）？”也許，通過(guò)修改后是可以這么說(shuō)的，他總結(jié)道。Pyykk?博士制定了一個(gè)周期表，對(duì)元素進(jìn)行化學(xué)分類(lèi)，最大的原子序數(shù)能達(dá)到172。
然而，Pyykk?博士卻指出，發(fā)現(xiàn)最重的超重元素的概率，可要比在東京打高爾夫，還能再在富士山頂一桿進(jìn)洞的可能性都要低的。
如果科學(xué)家們比較幸運(yùn)的話，所產(chǎn)生的超級(jí)超重元素甚至可能有奇形怪狀的原子核，就像甜甜圈似的。
“沒(méi)有人真的相信這些，”P(pán)yykk?博士說(shuō)?！暗@卻是一種理論上的可能性?！倍硪环N可能性是一種原子核，含有超乎尋常的數(shù)量的質(zhì)子，或是中子，又或在理想的情況下，質(zhì)子和中子都存在——也就是說(shuō)，有足夠多的數(shù)量就可以排列成完整的亞原子殼了。
“其中許多存在的雙核神經(jīng)核往往是具有最高的穩(wěn)定性?！盤(pán)yykk?博士說(shuō)?！叭绻隳苷业诫p倍的超乎尋常的原子核，那么你就擁有了一個(gè)千載難逢的好機(jī)會(huì)?！?/p>
譯者： Hailey
