《人类科学技术史-335》元素周期律的发现与周期表的形成

元素周期律的发现与周期表的形成

俄国化学家门捷列夫(1834-1907)认为，元素的原子量与其化学特性之间，应该存在某种联系。并且他深信化学元素之间也一定存在着规律性的联系和相互依赖性。他在总结前人经验的基础上，作了大量核对、比较、验证和整理工作。他紧紧抓住原子量这个关键，把化学元素依原子量的大小及其性质进行排列和分类，从而发现了元素性质随原子量增加而呈周期性变化的规律。门捷列夫在1869年2月提出了周期律，并公布了他的第一个元素周期表。同年3月，他发表了《元素性质与其原子量的相互关系》的论文，论述了元素周期律的四个基本观点：(1)依照原子量大小排列起来的元素，在性质上呈现出明显的周期性；(2)原子量大小决定元素的性质；(3)可预见未知元素；(4)可判定或修正元素的原子量。1871年，门捷列夫公布了他的第二个元素周期表，更详尽地论述了元素周期律，大胆修正了一些元素的原子量，并在周期表中留出空格，先后预言了"类硼"、"类铝"、"类硅"等十五种未知元素的存在及其性质。

周期律的发现如同其他新事物一样，在刚刚来到世间的时候，不可避免地遇到了种种指责和非难。但随着时间的推移，周期律的真理性终于得到了公认。1875年，法国的布瓦博德朗(1838-1912)在分析比里牛斯山的闪锌矿时，应用光谱分析法发现了一个新的元素——镓。这是门捷列夫所预言的"类铝"。1879年，瑞典的尼尔森(1840-1899)在对硅铍钆矿石和黑稀金矿进行研究时，发现了元素周期表中第二个待填补的元素——钪。门捷列夫曾称之为"类硼"。1886年，德国的温克勒(1838-1904）用光谱分析法发现了化学元素锗。这是周期表中第三个待填补的元素，即门捷列夫所预言的"类硅"。至此，元素周期律理论及周期表经受了实践的检验，并在实践中得到补充。它以无可辩驳的例证显示了其科学性和正确性。令学术界为之惊叹，而后成为无机化学和分析化学发展的重要基础。

门捷列夫公布的第一个元素周期表(1869年），元素周期律和周期表，是门捷列夫在科学研究中建立的不朽勋业。但他也有思想保守的一面，直到1902年，他还在否认原子的复杂性和电子的存在，强调原子的不变性，坚持认为元素不变是元素周期律得以成立的前提。

因此，对元素周期律的科学阐述并不是由门捷列夫进一步完成的，而是由英国科学家莫斯莱(1887-1915)实现的。1913年，莫斯莱在测定一系列元素的原子序数时，发现各种元素所产生的特征X射线的波长，其顺序恰好与元素在周期表内的次序一致，进而他把这个次序命名为元素的原子序数，于是提出了核内的单位电荷数是周期表中元素排列顺序的根本依据的假说，明确了决定元素基本化学性质的是原子序数，而不是原子量。

德国化学家柯塞尔(1888-1956)于1916年在进行电价理论研究时，最先用原子序数代替原子量，对元素周期表进行了深入研究。柯塞尔提出金属元素的外层电子一般少于四个而容易失去电子，变成带正电的阳离子。非金属元素的外层电子一般多于四个，而容易得到电子，变成带负电的阴离子。失去电子的数目，是元素的正原子价数，得到电子的数目，是元素的负原子价数。通过对原子核电荷数的研究，使元素在周期表中的排列顺序得到了科学的解释。通过对原子核外电子状况的研究，则阐明了元素性质随原子序数变化而呈周期性变化的原因。

随着新元素的陆续发现，元素周期表不断得到补充和发展。1869年门捷列夫公布的元素周期表共有66个位置，当时已发现了63种元素。到1894年，门捷列夫所预言的未知元素已先后发现，到此已发现的元素总数共达75种。当年，英国化学家拉姆塞(1852-1916)和瑞利(1842-1919)发现化学元素氩，确定它是元素周期表中最后一族——惰性元素族中的一个元素。

1895年，他们又各自独立发现化学元素氦。1898年拉姆塞又发现化学元素氖、氪、氙，并确定了它们在元素周期表中的位置。1897-1898年，法国的比埃尔.居里(1859-1906)和法籍波兰人玛丽.斯可罗多夫斯卡.居里(1867-1934）先后发现了放射性元素钍、钋和镭。1898年，法国的德比恩(1874-1949）从沥青铀矿石中分离出第三个放射性元素，即89号元素"锕"。后来德国的哈恩(1879-1968）等又分离出了第91号元素"镤"。1900年，德国的多恩发现当镭发生衰变时，周围的空气也有放射性，并证明是一种放射性惰性气体，这种气体元素被命名为"氡"。这是最后一个被发现的隋性气体。1907年，瑞典的莫桑特等发现了没有放射性的稀土元素十四种。它们是：镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥。1923年，丹麦的科斯特等从锆英石中检测出第72号元素，并将其命名为铪。1925年，德国的贝尔格(1874-1839)等从铂矿中发现了第75号元素，并命名为铼。

到20世纪30年代，从第1号元素氢到第92号元素铀所组成的元素周期表中有88个位置已填入被发现的元素。由于有四个元素尚未发现，故43、61、85、87四个位置依然空缺。1937年，美国的劳伦斯(1901-1958)等用以高速粒子轰击第42号元素钼的方法，在回旋加速器中产生了第43号元素，经分离和测定，命名其为锝。1939年，德国的佩雷在铀的衰变产物中分离出第87号元素，命名为钴。1940年，意大利的西格雷等在回旋加速器中，通过对83号元素铋进行轰击，分离出第85号元素，命名为砹。1945年，美国的马林斯基等在铀的裂变产物中，用中子轰击钕，分离出第61号元素，命名为钷。

至此元素周期表中的92个元素均已找到。科学家们在寻找未被发现的元素时，都在思考：究竟在92号元素铀以后还会不会有新的元素。不断发展的科学实验做出了肯定的回答。1940年，美国的麦克米伦在用慢中子轰击铀时，发现第一个超铀元素，即第93号元素镎。同年，美国的西博格用回旋加速器加速的氘原子轰击铀，得到不稳定的93号元素镎，镎进行β衰变，得到和93号元素混在一起的94号元素即钚。1944年，美国的西博格用亚原子粒子轰击钚而得到第95号和96号超铀元素，并分别命名为镅和锔(为纪念居里夫妇而命名为锔）。此后又有几种超铀元素被陆续发现。世界各国的科学家们，在元素周期律和周期表的指导下，对未知元素的研究和探索始终没有停止，并不断取得新的成果。

元素周期律的发现和元素周期表的问世具有重大的科学价值自不必说，此外，它所具有的哲学意义也是伟大而深刻的：其一，它从本质上揭示了各种化学元素之间的区别和联系，实现了对无机化学从感性认识到理性认识的飞跃；其二，元素周期律把原来认为是彼此孤立、各不相关的各种元素看成是有内在联系的统一体，表明元素性质发展变化的过程是一个由量变到质变的过程。

周期律揭示了自然界各种元素间相互依赖的统一性及本质联系，又表明了自然界的元素从简单到复杂，既有各自独立的基本性质，又有相互间的转化趋势，不断地实现着从量变到质变的转化过程。周期律的建立不仅丰富了化学理论的宝库，而且对科学研究和工业生产都有着重要意义和巨大的指导作用。