元素周期表诞生150周年，为何是门捷列夫发现了它？
几乎每一个化学实验室的墙上，都有一张元素周期表。通常，我们将元素周期表的创造归功于俄国化学家迪米特里·门捷列夫（dimitri mendeleev）。1869年，他将当时已知的63种元素写在卡片上，并根据化学和物理性质对它们进行排列。为了庆祝元素周期表诞生150周年，联合国宣布将2019年定为国际化学元素周期表年。
门捷列夫并不是第一个创造元素周期表的科学家，在他之前，有许多人都曾尝试对这些元素进行排列。例如，化学家约翰·道尔顿（john dalton）就曾试图为元素创造一张表格和一些有趣的符号（但它们没能流传开来）；约翰·纽兰兹（john newlands）根据元素的属性对它们进行分类。
约翰·道尔顿的元素列表。图片来源：wikimedia commons
相比于其他人，门捷列夫的天才在于他在表格中留出了可能性，他意识到某些特定元素是缺失的，还有待被发现。在道尔顿、纽兰兹和其他人列出已知的元素表上，门捷列夫为未知事物留出了空间。更令人惊讶的是，他准确地预测了缺失元素的性质。
门捷列夫的元素周期表中含有缺失的元素。图片来源：wikimedia commons
注意到上面表格中的问号了吗？例如，在al（铝）旁边有一个留给某种未知金属的空间。门捷列夫预言，它的原子质量为68，密度为每立方厘米6克，熔点很低。六年后，法国化学家保罗·埃米尔·勒科克·德布瓦博德兰（paul émile lecoq de boisbaudran）分离出了镓（ga），它的原子质量为69.7，密度为5.9 g/cm³，熔点很低，一旦碰到人的手就会融化成液体——门捷列夫留下的空缺被完美地填补了。对于钪（sc）、锗（ge）和锝（tc），门捷列夫也做了同样的留白与猜测。但直到1937年，也就是他去世30年后，人们才发现了元素锝。
乍一看，门捷列夫的表格不太像我们熟悉的元素周期表。一方面，现代的周期表上有一堆门捷列夫忽略（以及没有留出空间）的元素，最显而易见的自然是惰性气体（如氦、氖、氩）。此外，这张表的排列方式也与现代版本不同，我们现在将元素排成列，然后按行排列。
现代的元素周期表。 图片来源：wikimedia commons
但是，一旦把门捷列夫的表格旋转90度，就能看出它与现代版本的相似之处了。例如，卤族元素——氟（f）、氯（cl）、溴（br）和碘（i，门捷列夫表格中的符号j）——相继出现。如今，它们被排列在元素周期表的第17列中，化学家们更喜欢称其为第17族（第七主族viia ）。
看上去，从门捷列夫的表格到熟悉的现代元素周期表，似乎只是一个小小的飞跃。但是，在门捷列夫的论文被发表多年之后，人们其实对元素的其他排列和分布进行了大量实验。在将门捷列夫的表格进行这次永久的90度翻转之前，就有人尝试过一些古怪而奇妙的扭转了。
theodor benfey的螺旋周期表（1964）。图片来源：depiep/wikipedia
一个特别引人注目的例子是海因里希·鲍姆豪尔（heinrich baumhauer）于1870年发表的螺旋结构，它以氢元素为中心，元素随着原子质量增加呈螺旋式上升。每个轮辐（从中心到外围的直线）上的元素具有相同的属性，就像今天元素周期表中同一族的元素一样。还有亨利·巴塞特（henry basset）在1892年提出的相当奇怪的“哑铃”方案。
heinrich baumhauer的螺旋。图片来源：american chemical society.
然而，到了20世纪初，这张表格就慢慢定型成了我们今天所熟悉的这种水平布局，就像1905年海因里希·维尔纳（heinrich werner）设计的现代版本一样。稀有气体第一次出现在了表格最右的位置。维尔纳还借鉴门捷列夫的做法，在表格中留下了空白，不过他的猜测工作做得有些过头了。他猜有比氢更轻的元素，氢和氦之间还存在另一种元素——而这两者都不存在。
heinrich werner设计的元素周期表。图片来源：american chemical society
尽管看起来这张表格和现代的非常相似了，但它仍然需要一些重新排列。特别有影响力的是charles janet的版本。他采用物理学家的方法，利用新发现的量子理论，建立了一个基于电子构型的布局。由此产生的“阶梯”表格仍然受到许多物理学家的青睐。有趣的是，janet为直到120号的元素都提供了空间，尽管当时已知的元素只有92个（即便现在我们才只知道118个）。
charles janet的“阶梯”的元素周期表。图片来源：wikipedia, cc by-sa
现代的元素周期表实际上是janet版本的直接演变。碱金属（以锂为首的第一主族元素）和碱土金属（以铍为首的第二主族元素）从最右边被移到了最左边，形成了一个非常宽的元素周期表。这种布局的问题是，它不能很好地适应页面或海报，主要是出于美学原因，f-区元素（指原子壳层最外层电子占据f-轨道，也就是镧系和锕系元素）通常被剪切下来，放到主表下面。这就是元素周期表演变到今天我们熟悉的样子的历程。
人们并未停止尝试修改周期表的布局，这通常是为了突出在传统表格中并不明显的元素之间的相关性。周期表有数百种不同的样子（可以查看mark leach的数据库），其中螺旋状和3d版本尤为流行，更不要说许多带着玩笑意味的变体了。比如，mark lorch把门捷列夫的表格和亨利·贝克的伦敦地铁地图这两个标志性的图形融合在一起：
元素的地铁线路图。mark lorch
或者，那些旨在为从啤酒到迪斯尼卡通人物的一切事物的分类赋予一种科学感的眼花缭乱的模仿，以及我特别喜欢的“非理性废话”：
非理性废话周期表，包含灵媒，外星，隐匿动物学，超常/超自然，宗教，伪科学，心灵感应，占卜，恶作剧、欺诈和否认，替代医学。 图片来源：crispian jago
所有这些都表明，元素周期表早已成为科学的标志性符号。
撰文：mark lorch
原文标题为“the periodic table is 150 – but it could have looked very different”，首发于2019年1月2日的the conversation。原文链接：https://theconversation.com/the-periodic-table-is-150-but-it-could-have-looked-very-different-106899。中文内容仅供参考，略有增删，一切内容以英文原版为准。
注：本文经授权转载自公众号“原理”，转载请联系原账号。
