《人類科學(xué)技術(shù)史-335》元素周期律的發(fā)現(xiàn)與周期表的形成

元素周期律的發(fā)現(xiàn)與周期表的形成

俄國化學(xué)家門捷列夫(1834-1907)認(rèn)為，元素的原子量與其化學(xué)特性之間，應(yīng)該存在某種聯(lián)系。并且他深信化學(xué)元素之間也一定存在著規(guī)律性的聯(lián)系和相互依賴性。他在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，作了大量核對、比較、驗(yàn)證和整理工作。他緊緊抓住原子量這個關(guān)鍵，把化學(xué)元素依原子量的大小及其性質(zhì)進(jìn)行排列和分類，從而發(fā)現(xiàn)了元素性質(zhì)隨原子量增加而呈周期性變化的規(guī)律。門捷列夫在1869年2月提出了周期律，并公布了他的第一個元素周期表。同年3月，他發(fā)表了《元素性質(zhì)與其原子量的相互關(guān)系》的論文，論述了元素周期律的四個基本觀點(diǎn)：(1)依照原子量大小排列起來的元素，在性質(zhì)上呈現(xiàn)出明顯的周期性；(2)原子量大小決定元素的性質(zhì)；(3)可預(yù)見未知元素；(4)可判定或修正元素的原子量。1871年，門捷列夫公布了他的第二個元素周期表，更詳盡地論述了元素周期律，大膽修正了一些元素的原子量，并在周期表中留出空格，先后預(yù)言了"類硼"、"類鋁"、"類硅"等十五種未知元素的存在及其性質(zhì)。

周期律的發(fā)現(xiàn)如同其他新事物一樣，在剛剛來到世間的時候，不可避免地遇到了種種指責(zé)和非難。但隨著時間的推移，周期律的真理性終于得到了公認(rèn)。1875年，法國的布瓦博德朗(1838-1912)在分析比里牛斯山的閃鋅礦時，應(yīng)用光譜分析法發(fā)現(xiàn)了一個新的元素——鎵。這是門捷列夫所預(yù)言的"類鋁"。1879年，瑞典的尼爾森(1840-1899)在對硅鈹釓礦石和黑稀金礦進(jìn)行研究時，發(fā)現(xiàn)了元素周期表中第二個待填補(bǔ)的元素——鈧。門捷列夫曾稱之為"類硼"。1886年，德國的溫克勒(1838-1904）用光譜分析法發(fā)現(xiàn)了化學(xué)元素鍺。這是周期表中第三個待填補(bǔ)的元素，即門捷列夫所預(yù)言的"類硅"。至此，元素周期律理論及周期表經(jīng)受了實(shí)踐的檢驗(yàn)，并在實(shí)踐中得到補(bǔ)充。它以無可辯駁的例證顯示了其科學(xué)性和正確性。令學(xué)術(shù)界為之驚嘆，而后成為無機(jī)化學(xué)和分析化學(xué)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。

門捷列夫公布的第一個元素周期表(1869年），元素周期律和周期表，是門捷列夫在科學(xué)研究中建立的不朽勛業(yè)。但他也有思想保守的一面，直到1902年，他還在否認(rèn)原子的復(fù)雜性和電子的存在，強(qiáng)調(diào)原子的不變性，堅持認(rèn)為元素不變是元素周期律得以成立的前提。

因此，對元素周期律的科學(xué)闡述并不是由門捷列夫進(jìn)一步完成的，而是由英國科學(xué)家莫斯萊(1887-1915)實(shí)現(xiàn)的。1913年，莫斯萊在測定一系列元素的原子序數(shù)時，發(fā)現(xiàn)各種元素所產(chǎn)生的特征X射線的波長，其順序恰好與元素在周期表內(nèi)的次序一致，進(jìn)而他把這個次序命名為元素的原子序數(shù)，于是提出了核內(nèi)的單位電荷數(shù)是周期表中元素排列順序的根本依據(jù)的假說，明確了決定元素基本化學(xué)性質(zhì)的是原子序數(shù)，而不是原子量。

德國化學(xué)家柯塞爾(1888-1956)于1916年在進(jìn)行電價理論研究時，最先用原子序數(shù)代替原子量，對元素周期表進(jìn)行了深入研究?？氯麪柼岢鼋饘僭氐耐鈱与娮右话闵儆谒膫€而容易失去電子，變成帶正電的陽離子。非金屬元素的外層電子一般多于四個，而容易得到電子，變成帶負(fù)電的陰離子。失去電子的數(shù)目，是元素的正原子價數(shù)，得到電子的數(shù)目，是元素的負(fù)原子價數(shù)。通過對原子核電荷數(shù)的研究，使元素在周期表中的排列順序得到了科學(xué)的解釋。通過對原子核外電子狀況的研究，則闡明了元素性質(zhì)隨原子序數(shù)變化而呈周期性變化的原因。

隨著新元素的陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，元素周期表不斷得到補(bǔ)充和發(fā)展。1869年門捷列夫公布的元素周期表共有66個位置，當(dāng)時已發(fā)現(xiàn)了63種元素。到1894年，門捷列夫所預(yù)言的未知元素已先后發(fā)現(xiàn)，到此已發(fā)現(xiàn)的元素總數(shù)共達(dá)75種。當(dāng)年，英國化學(xué)家拉姆塞(1852-1916)和瑞利(1842-1919)發(fā)現(xiàn)化學(xué)元素氬，確定它是元素周期表中最后一族——惰性元素族中的一個元素。

1895年，他們又各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)化學(xué)元素氦。1898年拉姆塞又發(fā)現(xiàn)化學(xué)元素氖、氪、氙，并確定了它們在元素周期表中的位置。1897-1898年，法國的比埃爾.居里(1859-1906)和法籍波蘭人瑪麗.斯可羅多夫斯卡.居里(1867-1934）先后發(fā)現(xiàn)了放射性元素釷、釙和鐳。1898年，法國的德比恩(1874-1949）從瀝青鈾礦石中分離出第三個放射性元素，即89號元素"錒"。后來德國的哈恩(1879-1968）等又分離出了第91號元素"鏷"。1900年，德國的多恩發(fā)現(xiàn)當(dāng)鐳發(fā)生衰變時，周圍的空氣也有放射性，并證明是一種放射性惰性氣體，這種氣體元素被命名為"氡"。這是最后一個被發(fā)現(xiàn)的隋性氣體。1907年，瑞典的莫桑特等發(fā)現(xiàn)了沒有放射性的稀土元素十四種。它們是：鑭、鈰、鐠、釹、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥。1923年，丹麥的科斯特等從鋯英石中檢測出第72號元素，并將其命名為鉿。1925年，德國的貝爾格(1874-1839)等從鉑礦中發(fā)現(xiàn)了第75號元素，并命名為錸。

到20世紀(jì)30年代，從第1號元素氫到第92號元素鈾所組成的元素周期表中有88個位置已填入被發(fā)現(xiàn)的元素。由于有四個元素尚未發(fā)現(xiàn)，故43、61、85、87四個位置依然空缺。1937年，美國的勞倫斯(1901-1958)等用以高速粒子轟擊第42號元素鉬的方法，在回旋加速器中產(chǎn)生了第43號元素，經(jīng)分離和測定，命名其為锝。1939年，德國的佩雷在鈾的衰變產(chǎn)物中分離出第87號元素，命名為鈷。1940年，意大利的西格雷等在回旋加速器中，通過對83號元素鉍進(jìn)行轟擊，分離出第85號元素，命名為砹。1945年，美國的馬林斯基等在鈾的裂變產(chǎn)物中，用中子轟擊釹，分離出第61號元素，命名為钷。

至此元素周期表中的92個元素均已找到。科學(xué)家們在尋找未被發(fā)現(xiàn)的元素時，都在思考：究竟在92號元素鈾以后還會不會有新的元素。不斷發(fā)展的科學(xué)實(shí)驗(yàn)做出了肯定的回答。1940年，美國的麥克米倫在用慢中子轟擊鈾時，發(fā)現(xiàn)第一個超鈾元素，即第93號元素镎。同年，美國的西博格用回旋加速器加速的氘原子轟擊鈾，得到不穩(wěn)定的93號元素镎，镎進(jìn)行β衰變，得到和93號元素混在一起的94號元素即钚。1944年，美國的西博格用亞原子粒子轟擊钚而得到第95號和96號超鈾元素，并分別命名為镅和鋦(為紀(jì)念居里夫婦而命名為鋦）。此后又有幾種超鈾元素被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)。世界各國的科學(xué)家們，在元素周期律和周期表的指導(dǎo)下，對未知元素的研究和探索始終沒有停止，并不斷取得新的成果。

元素周期律的發(fā)現(xiàn)和元素周期表的問世具有重大的科學(xué)價值自不必說，此外，它所具有的哲學(xué)意義也是偉大而深刻的：其一，它從本質(zhì)上揭示了各種化學(xué)元素之間的區(qū)別和聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)了對無機(jī)化學(xué)從感性認(rèn)識到理性認(rèn)識的飛躍；其二，元素周期律把原來認(rèn)為是彼此孤立、各不相關(guān)的各種元素看成是有內(nèi)在聯(lián)系的統(tǒng)一體，表明元素性質(zhì)發(fā)展變化的過程是一個由量變到質(zhì)變的過程。

周期律揭示了自然界各種元素間相互依賴的統(tǒng)一性及本質(zhì)聯(lián)系，又表明了自然界的元素從簡單到復(fù)雜，既有各自獨(dú)立的基本性質(zhì)，又有相互間的轉(zhuǎn)化趨勢，不斷地實(shí)現(xiàn)著從量變到質(zhì)變的轉(zhuǎn)化過程。周期律的建立不僅豐富了化學(xué)理論的寶庫，而且對科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)都有著重要意義和巨大的指導(dǎo)作用。