探索元素歸位

元素週期表起源於19世紀中期,歷經數十年發展,對原子理論和量子力學至關重要

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編者注:以下內容最初以“將元素歸位”為題發表,是《大眾科學經典》特別數字版《探索元素週期表》(2012年12月)的引言。本期彙集了我們檔案中的文章,追溯了形成這一標誌性表格的努力。請在我們的經典頁面檢視其他特別數字版。

元素週期表是現代科學最重要的發展之一,儘管它起源於19世紀60年代。除了統一了各種各樣的化學和物理現象外,它還極大地促進了原子物理學的發展,並最終推動了量子力學理論的形成。

如今,元素週期表已經成為一種文化標誌——如果你願意,也可以說是一種模因。網站上湧現了各種各樣的“元素週期表”,可以對任何事物進行分類,從水果和蔬菜到著名的吉他手。根據我去年十月份做的快速搜尋,僅在YouTube上以元素週期表為主題的影片就有大約14000個。在谷歌上搜索“元素週期表”這個詞,結果會顯示近2300萬個結果,順便說一句,這比“相對論”或“量子力學”的搜尋結果還要多。


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但是,元素週期表是如何傳播的?它是如何演變的?它是如何向科學家和公眾宣佈的?有什麼方法比透過世界上最受歡迎、歷史最悠久的科學雜誌——《大眾科學》的頁面來探索這些問題更好呢?本期包含了一系列關於元素週期表、元素以及周圍科學發展的獨特文章。六位科學家獨立地做出了這一發現,儘管他們並非所有人都將其視為定律。他們分散在世界各地,從美國到俄羅斯,但最初沒有人太在意。當六位發現者中的最後一位,俄羅斯化學家德米特里·門捷列夫的預測開始實現時,一切才開始改變。

該雜誌首次提到元素週期律是在1876年,當時一篇來自法國雜誌的報道宣佈證實了門捷列夫的一項預測,即一種後來被稱為鎵的元素的存在,並希望他的其他一些預測很快也能實現。這裡轉載了對門捷列夫預測的其他元素髮現的報道,以及許多試圖理解和改進元素週期表的文章。

但是,進步之路並非總是平坦的。在19世紀90年代,發現了一種新的、未預測的元素氬,它似乎難以成功地放置在元素週期表中。一些科學家甚至認為元素週期表已經走到了盡頭。在這裡,我們閱讀了發現者和一些其他專家對這種新元素的最初和令人困惑的描述,以及關於如何解釋這一新發現的文章。然而,很快,化學家發現了其他幾種完全不反應的氣態元素,最終“氬氣及其同伴”在週期系統中找到了一席之地——它們是惰性氣體。

在20世紀之交,由於電子、X射線和放射性等現象的發現,物理學領域開始侵入元素週期表的研究。元素週期表中仍然存在的一些小瑕疵,例如需要反轉元素碲和碘,在原子序數和同位素的發現中找到了自然的解釋,這兩者都塑造了原子核的特性。在這裡,我們閱讀了弗雷德里克·索迪的一些文章,他是這項研究的早期先驅之一,也是“同位素”這個術語的創造者。

所有文章都秉承了《大眾科學》的傳統,即既能讓受過教育的公眾理解,又能讓專家科學家理解。鑑於元素週期表在普通民眾和學者中越來越受歡迎,這個合集來得正是時候。

Eric Scerri, PhD, is an author as well as a historian and philosopher of chemistry who teaches in the Department of Chemistry and Biochemistry at UCLA. He has previously published two feature articles on the periodic table in 大眾科學, which you can read here and here.

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