神秘的元素「密碼」是如何被破譯的？

1907年2月2日，俄國傑出的化學家門捷列夫逝世。門捷列夫最大的貢獻是發現了著名的化學元素周期律，世人都說他破譯了元素的密碼，這是怎麼一回事？

在古代，東方人和西方人都認為物質是由最基本的幾種「元素」構成的。在中國，這些「元素」是金、木、水、火、土。而在古希臘，則是土、氣、水、火。但是到了近代，這些「元素」就禁不住科學的考驗了。比如法國化學家拉瓦錫就證明，水可以通過氫在氧氣中燃燒而生成。後來，人們還發現用電可以把水分解為氫和氧，所以水不是元素。另一種所謂的「元素」——空氣，則被發現約1/5是氧氣，其餘的是不支持燃燒的其他氣體（主要是氮氣），所以空氣也不是元素。因此，科學家將元素定義為用化學方法不能再分解的物質。氫、氧、氮、氯、碳、硫、磷、鐵、銅、金、銀等才是構成物質的真正元素。

1789年，法國化學家拉瓦錫發表了33種化學元素的名單，隨後在歐洲出現了一股搜尋新元素的熱潮，被發現的元素很快達到了60多種。這些元素的性質不一，顯得雜亂無章。這種情況使人們感到迷茫：這個世界上到底有多少種元素？元素之間的關係是什麼？應該如何去尋找新的元素？

科學家進行了各式各樣的努力來尋找規律，但是結果都不理想，直至俄國化學家門捷列夫找到了破解元素的「密碼」。當時門捷列夫面臨的最大困難是：在已經發現的元素中，有的原子量測得不準。這就像按人的個子高低排隊時，1.8米的高個子被當成1.4米的矮個子來站隊一樣。許多元素當時還沒有被發現，就像排隊時還有缺席的。要在這樣排列的隊伍中找出規律，真是難上加難。

但是門捷列夫沒有氣餒。他把當時已經知道的63種元素的原子量和主要性質分別寫在卡片上，再把這些卡片反覆地分組排列，以尋找其中的規律。他發現，如果把元素按原子量從小到大排列，每過一段距離就會出現一個與前面的元素性質類似的元素。這就像人按從矮到高的順序排隊時，每過幾個人就會出現一個穿紅衣服的人一樣。不僅如此，第一個穿紅衣服的人後面，還依次排著穿橙、黃、綠、青、藍、紫衣服的人。當第二個穿紅衣服的人出現後，他的後面也依次有穿橙、黃、綠、青、藍、紫衣服的人出現。這種顏色七人組會重複出現好幾次，只不過從第三排開始，顏色七人組會被10個穿雜色衣服的人隔成兩段，前面兩個（紅、橙），後面五個（黃、綠、青、藍、紫）。當然，這個重複排列的隊列中，還有一些位置仍然空缺。

如果把這一行人分成幾段，每一段都含有一個顏色七人組，再將它們平行排列，讓每種顏色對齊，穿紅衣服的一列，穿綠衣服的一列，把穿雜色衣服的人排在兩邊，就形成了一個陣列。每一行里的人都按高矮排列，而每一列里的人衣服顏色相同。這基本上就是門捷列夫於1869年發表的第一張元素周期表，只是要把它按順時針方向旋轉90°來看。每一橫行叫作一個周期，裡面元素的性質從金屬逐漸變為非金屬（從紅變為紫）。每一縱列叫作一個族，裡面的元素性質彼此相似（衣服顏色相同）。用這種列表方式，元素隨著原子量上升而性質發生周期性變化的規律就清楚地顯現出來了。

門捷列夫是怎樣克服原子量不準的困難的呢？除了親自重新測定一些元素的原子量外，他還根據元素的性質來判斷。這就像上面說的衣服的顏色一樣。如果按原子量排列，穿橙色衣服的人跑到綠色的列里去了，這個原子量可能就有疑問。一個具體的例子就是元素鈹。按照當時測定鈹的原子量為13.5，它應該排在原子量為12的碳後面。但是根據鈹的化學性質，它應該在鋰（原子量7）和硼（原子量11）之間，原子量應該在9附近。後來重新測定的鈹的原子量果然是9。

有時候，為了把顏色對齊，還必須在行中留出空位。門捷列夫不認為這是對周期律的破壞，反而認為是尚未發現的元素應該佔據的位置。比如在鋅和砷之間有兩個空格，上面對應於鋁和硅。他把這兩個未知元素叫作「類鋁」和「類硅」，並且按照它們在周期表中的位置和上下左右「鄰居」元素的性質，推測出這兩種元素的性質。這兩種元素後來果然被發現了，分別叫作鎵和鍺。它們的性質也和門捷列夫預測的幾乎一模一樣！

這些事實說明，門捷列夫破解了元素的「密碼」！這具有極大的理論意義和實用價值。每一種元素都在周期表中找到了自己的位置。已經被填滿的行和列中不會有新的元素，而空格不但能預示尚未發現的元素，還能根據它們在周期表裡的位置推測出它們的性質，這就極大地加速了尋找這些未知元素的過程。不過，在門捷列夫的時代，人們還不知道原子的結構，所以他並不知道這種規律背後的真正原因，也不知道如何處理那些「穿雜色衣服的人」，也就是後來所說的過渡元素。

通過英國科學家莫斯萊的工作，人們才發現原子核里的正電荷數目（即原子序數）決定了元素的化學性質。周期表所反映的，實際上是元素隨原子序數上升時，最外層電子數的周期性變化。在此之前，門捷列夫根據不完全準確的原子量和有空位的序列發現了元素周期律，體現出他敏銳的洞察力和充滿智慧的想像力。

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