沿用150年的元素周期表现在可能需要更新换代

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编者按：门捷列夫的元素周期表随同了咱们已整整150年，但在这期间内，化学家们却仍然致力于依据最新的发现来修正和完善它，跟着越来越多的元素被发现和组成，元素周期表的方法也变得形形色色。本文译自《纽约时报》华夏标题为“Is It Time to Upend the Periodic Table”的文章，本文作者Siobhan Roberts。

Alex Eben Meyer

英国诺丁汉大学的化学家Martyn Poliakoff，知道了一个叫作元素周期表战舰的游戏后，不由得便开端幻想其元素的反向舰队，也便是对手玩家的观念。

没想到，Poliakoff的这个主意催生了一个张狂的主意。5月，恰逢联合国教科文组织庆祝世界周期表诞生150周年，Martyn及其合作者，包括他的女儿——曼彻斯特大学试验心理学家Ellen Poliakoff一同宣布了一篇论文，其间提出了一项主张，那便是雷厉风行地变革元素周期表。

“自1869年以来，几代化学家提出了多种针对元素周期表方法的改变办法，为的便是让它变得愈加明晰，或许说愈加风趣。”他们这样写道。

由俄罗斯化学家门捷列夫初步规划的标志性元素周期表现已展开成依照原子序数摆放的化学元素的二维摆放，一般为18列。它展现了一种模式化的办法和趋势，让科学家能够猜测元素特点，反响性，乃至是新元素。它被称为“大天然的罗塞塔石碑”、“化学家的地图”和“可能是迄今为止规划最紧凑和最有含义的常识汇编”。

Gregory Girolami在和妻子Vera Mainz的联合采访中说：“这就比方看一张美国地图，假如我在缅因州，就能够看出那儿的气温会低于我在佛罗里达的温度。”他们二位都是伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的无机化学家，并在本年和雪城Le Moyne学院的化学家Carmen Giunta一同组织了一个150周年的学术研讨会，这个研讨会在圣地亚哥举办的美国化学学会全国会议举办期间期间举办。

“假如你告知我一个元素在某个当地，”Girolami博士说，“我能够告知你许多关于它的作业，比方它是否是金属，在地球上储量是否丰厚，只需要注意它在元素周期表中的方位就能够了。”

Mainz博士弥补说：“假如你想和一个外星种族沟通，那就建一个元素周期表，由于它的排布是通用的，不论你身在何处。”

互联网数据库中的元素周期表有1000多个版别，包括元素稀缺表，有形似蛋糕、挂钟、乐高和三行诗的周期表，还有一些更多的技能改编。数学家、音乐家Tom Lehrer将其加入到音乐里（吉尔伯特和沙利文），还有意大利化学家、作家和奥斯威辛集中营幸存者Primo Levi还把它当作特别的回忆录（即“元素周期表”）的根底。

“许多人好像信任只要一个真实的元素周期表，无论是现已存在的仍是正在等着被发现的，他们都会竭尽全力地评论着不同类型元素周期表的有用性，”Poliakoff博士这么说，他是个在Brady Haran制作的元素周期表系列视频里的YouTube名人。（在A.C.S.会议上，Poliakoff博士获得了一份荣誉，为赞誉他为普罗群众清楚解说了什么是化学。）“我的感觉是，大多数类型的化学元素周期表都相同有用，只取决于你想要的内容。”

回转（the upside down）的版别旨在展现一个全新视角的价值观。作者们写道：“咱们并没有宣称咱们的版别比传统的更“正确”，“但从一个新的观念看问题往往会催生出新的主意。”

为什么不依照字母顺序摆放呢？

元素周期表给长期以来一向比较弱的查询范畴带来了安定性。牛顿先生，在他1717年的作品《光学》里第31个疑问中，依据反响性列出了化合物，并对其进行排序。1718年，第一个“亲和表”是由法国化学家Étienne François Geoffroy制作的，它以图形的方法对资料的反响性进行了排序，接近大天然的观察家指出，某些化学元素如锂，钠和钾——现在被称为碱金属——都是软的，能够漂浮在水面上。可是这种定性分类只是供给了一个不安稳的根底。

打破始于1860年，其时的意大利化学家Stanislao Cannizzaro为原子量的评论奠定了根底。在其时，有一些彼此抵触的原子量循环列表，以及关于是什么构成了原子与分子的不同假定。Cannizzaro列出了已知元素的原子量列表，以及价值观的基本原理，并在德国卡尔斯鲁厄的一次会议上作为小册子发布了。

加州大学洛杉矶分校的前史学家和科学哲学家Eric Scerri说：“在大约7年的时间里，开端由我所谓的六个人一同发现的效果，在门捷列夫的年代到达了高潮。”Eric Scerri在元素周期表展开史方面也是个专家。（他的书《元素周期表：关于它的故事和含义》，将于10月被牛津大学出书社更新再版）。

1862年，法国的地质学家Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois制作了一个三维桌子，在它的金属圆柱周围刻着元素。依据“八行周期律”，伦敦的糖化学家John Newlands依照原子量来摆放元素，八个一组。

“它会被讪笑和摒弃的，“Scerri 博士说道。（当一个评论家问他，为什么不按字幕顺序摆放元素？）

英国化学家 William Odling发现了“周期律”——一个元素族的性质，这些元素大致以规则的距离重复呈现。丹麦移民美国的Gustavus Hinrichs提出了径向排序。“我把它叫作自行车轮周期表，”Scerri博士说。

德国化学家Lothar Meyer在1864年创建了一个部分周期表，接着在1869年给出了一个更完好的版别。凯斯西储大学的科学前史学家Alan Rocke以为：“在结构上，Meyer和门捷列夫的周期表十分相似”，他在A.C.S的周年研讨会上宣布关于Meyer的言辞时这么说。

Rocke博士说，开端，元素周期性及其杰出的猜测才能好像是一个“数学谜题”。在20世纪，元素周期性由量子物理学解说——特别是物理学中电子怎么环绕原子核运动的部分。锂，钠和钾，很好地摆放在表的第一个笔直柱里——即第一组，碱金属，铷，铯和钫——在它们的外电子壳中都有一个电子。

这两位化学家多年来制作了许多的周期表，并依据新发现和更好的数据不断进行调整。但终究门捷列夫的元素周期表胜出了。当不同方法的周期表呈现差异时，他便对应该呈现的元素做出猜测。尽管有些猜测是不对的，但他却精确地预言了三种元素的存在：镓，锗和钪。

“猜测在心理上是赋有戏剧性的，”Scerri博士说。“假如一位科学家预言某事并且变成现实，那么科学家就会知道天然的隐秘，或许能够说是简直了解了未来。”

但科学很少经过革新推动，Scerri博士说：“科学是由数十万研讨人员展开的一项活动，而这些活动都有助于终究呈现的大体状况。”

这也是这次周年纪念会的主题。费城科学前史研讨所的化学前史学家Brigitte Van Tiggelen评论了关于发现铼的德国化学家Ida Noddack和奥地利瑞典物理学家Lise Meitner的作业，其间，Lise Meitner曾与Otto Hahn一同发现了镤元素。Van Tiggelen博士是这本叫作《女人元素》的新书的修改，这本书探讨了30多个相似的故事，当然包括发现了镭和钋的居里夫人，她由于这个赢得过两次诺贝尔奖。

“咱们把展现传达这些故事当作了一个公共的作业，”Van Tiggelen博士说。

再会，炼金术

在其很多成就中，元素周期表使化学终究摆脱了炼金术的污点。牛顿在这方面没什么建树：依据牛津英语词典描绘，他沉迷于“Chymistry”——即炼金术的近义词，以及辨认能把贱金属转化为金的魔法石。

多年来，印第安纳大学的科学前史学家William Newman一向在试验台上重复着牛顿的作业，而最近，他正试图找出牛顿的啤酒中所含的成分。

“牛顿所制作的一些化合物不在咱们的数据库中，”Newman博士说，他最近出书了一本书，叫作《炼金术士牛顿：科学，疑团和寻求天然的“隐秘之火”》，“他总结了在300年后仍未发现的新资料。”

即便现已在现代科学的光亮照射下，化学反响却仍然深深吸引着人们的目光，Scerri博士说：“在物理混合中，当你将A物质与B物质混合时，你会得到一些他们的总和。”但在化学中，A与B结合后，你会得到一些具有新性质的东西。

比方，咱们看看钠，这种银色的有毒金属，和氯，这种绿色的有毒气体发作的反响。“当他们一同发作反响后，会发作出与它们二者天壤之别的东西，不只无毒，”——并且是白色的结晶——“它便是对生命至关重要的，咱们所说的盐，”Scerri博士说。“这简直是太奇特了”。

一种炼金术在元素周期表行将迎来光亮之前还起着效果，核物理学家和放射化学家用新元素打破了边界。能够说，地球上天然存在的最重的元素是铀，其原子序数为92（原子核中有92个质子），尽管现已发现了微量的镎（原子序数为93）和钚(原子序数为94)。可是元素周期表包括的不只只此，迄今为止最重的118号元素，oganesson，是个“超重”元素，它含有118个质子，半衰期为半毫秒。它开端于2002年由Yuri Oganessian和在莫斯科北部杜布纳联合核研讨所的一个俄美跨洲研讨小组研制而成的。

从2020年开端，科学家们将尝试着在一个新完工的超重元素工厂，用灵敏度高100倍的试验仪器组成119和120号元素。他们希望能到达“安稳岛”，这是一个元素周期表的设想区，由寿数更长的超重元素所组成。

就像潘多拉的盒子相同，超重元素的发现也发作了一些扎手的问题，Oganessian博士说。这些元素的表现方法是否与周期表猜测的方法相同？但到目前为止，只要一些行为上的误差是预料之中的。但跟着原子序数的添加，误差也将敏捷添加，这就挑战了元素周期表体系的完好性。

元素周期表会持续走下去吗？抑或正如赫尔辛基大学的核算化学家PekkaPyykkö所说，他2016年论文的标题是：“周期表一切都是正确吗（'PT OK'）？”或许，经过修正后是能够这么说的，他总结道。Pyykkö博士拟定了一个周期表，对元素进行化学分类，最大的原子序数能到达172。

但是，Pyykkö博士却指出，发现最重的超重元素的概率，可要比在东京打高尔夫，还能再在富士山顶一杆进洞的可能性都要低的。

假如科学家们比较走运的话，所发作的超级超重元素乃至可能有奇形怪状的原子核，就像甜甜圈似的。

“没有人真的信任这些，”Pyykkö博士说。“但这却是一种理论上的可能性。”而另一种可能性是一种原子核，含有超乎寻常的数量的质子，或是中子，又或在抱负的状况下，质子和中子都存在——也便是说，有足够多的数量就能够摆放成完好的亚原子壳了。

“其间许多存在的双核神经核往往是具有最高的安稳性。”Pyykkö博士说。“假如你能找到双倍的超乎寻常的原子核，那么你就具有了一个千载一时的好机会。”

译者： Hailey