探索元素归位

元素周期表起源于19世纪中期,历经数十年发展,对原子理论和量子力学至关重要

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编者注:以下内容最初以“将元素归位”为题发表,是《大众科学经典》特别数字版《探索元素周期表》(2012年12月)的引言。本期汇集了我们档案中的文章,追溯了形成这一标志性表格的努力。请在我们的经典页面查看其他特别数字版。

元素周期表是现代科学最重要的发展之一,尽管它起源于19世纪60年代。除了统一了各种各样的化学和物理现象外,它还极大地促进了原子物理学的发展,并最终推动了量子力学理论的形成。

如今,元素周期表已经成为一种文化标志——如果你愿意,也可以说是一种模因。网站上涌现了各种各样的“元素周期表”,可以对任何事物进行分类,从水果和蔬菜到著名的吉他手。根据我去年十月份做的快速搜索,仅在YouTube上以元素周期表为主题的视频就有大约14000个。在谷歌上搜索“元素周期表”这个词,结果会显示近2300万个结果,顺便说一句,这比“相对论”或“量子力学”的搜索结果还要多。


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但是,元素周期表是如何传播的?它是如何演变的?它是如何向科学家和公众宣布的?有什么方法比通过世界上最受欢迎、历史最悠久的科学杂志——《大众科学》的页面来探索这些问题更好呢?本期包含了一系列关于元素周期表、元素以及周围科学发展的独特文章。六位科学家独立地做出了这一发现,尽管他们并非所有人都将其视为定律。他们分散在世界各地,从美国到俄罗斯,但最初没有人太在意。当六位发现者中的最后一位,俄罗斯化学家德米特里·门捷列夫的预测开始实现时,一切才开始改变。

该杂志首次提到元素周期律是在1876年,当时一篇来自法国杂志的报道宣布证实了门捷列夫的一项预测,即一种后来被称为镓的元素的存在,并希望他的其他一些预测很快也能实现。这里转载了对门捷列夫预测的其他元素发现的报道,以及许多试图理解和改进元素周期表的文章。

但是,进步之路并非总是平坦的。在19世纪90年代,发现了一种新的、未预测的元素氩,它似乎难以成功地放置在元素周期表中。一些科学家甚至认为元素周期表已经走到了尽头。在这里,我们阅读了发现者和一些其他专家对这种新元素的最初和令人困惑的描述,以及关于如何解释这一新发现的文章。然而,很快,化学家发现了其他几种完全不反应的气态元素,最终“氩气及其同伴”在周期系统中找到了一席之地——它们是惰性气体。

在20世纪之交,由于电子、X射线和放射性等现象的发现,物理学领域开始侵入元素周期表的研究。元素周期表中仍然存在的一些小瑕疵,例如需要反转元素碲和碘,在原子序数和同位素的发现中找到了自然的解释,这两者都塑造了原子核的特性。在这里,我们阅读了弗雷德里克·索迪的一些文章,他是这项研究的早期先驱之一,也是“同位素”这个术语的创造者。

所有文章都秉承了《大众科学》的传统,即既能让受过教育的公众理解,又能让专家科学家理解。鉴于元素周期表在普通民众和学者中越来越受欢迎,这个合集来得正是时候。

Eric Scerri, PhD, is an author as well as a historian and philosopher of chemistry who teaches in the Department of Chemistry and Biochemistry at UCLA. He has previously published two feature articles on the periodic table in 大众科学, which you can read here and here.

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