元素周期表的历史：从三元素组到第七周期的完成

挂在教室墙上的元素周期表，并不是某一个人的发明。19世纪的大部分时间里，化学家们都在元素之间寻找秩序；20世纪的物理学解释了这种秩序为何存在；而第七行最后的空缺，直到21世纪才被填满。本指南将沿着关键节点讲述这段历史。

背景：元素越来越多，原子量越来越准

18世纪末，安托万·拉瓦锡提出了现代意义上的元素概念：一种无法再被分解的物质。19世纪初，约翰·道尔顿的原子论逐渐传播开来，化学家们接受了每种元素都有其特征原子量的观点。新技术——先是电解，后来是光谱分析——使元素被快速地发现。到19世纪60年代，已知的元素超过了60种，如何整理它们自然成了一个迫切的问题。

1860年在卡尔斯鲁厄召开的国际化学会议是重要的一步。它帮助推广了一套以阿伏伽德罗假说为基础的统一原子量体系，只有在此之后，按原子量排列元素才成为一件有意义的事情。

德贝莱纳的三元素组（1817–1829）

大约从1817年起，德国化学家约翰·沃尔夫冈·德贝莱纳注意到，把三种化学性质相似的元素放在一起时，中间那种元素的原子量接近另外两种的平均值。到1829年，他已描述了好几个这样的组合，称之为 三元素组。

• 钙、锶、钡
• 氯、溴、碘
• 锂、钠、钾

例如，锂和钾原子量的平均值就很接近钠的原子量。三元素组并没有涵盖所有元素，但它是化学性质与原子量之间存在数量联系的第一个明确迹象。这三个三元素组在现代周期表中依然并排在一起，分别位于第2、第17和第1族。

纽兰兹与八音律（1864–1866）

从1864年起，英国化学家约翰·纽兰兹发表了一系列论文，指出如果把已知元素按原子量排列，相似的性质往往每隔八种元素就会重现一次。他把这比作音阶——第八个音重复第一个音——并称之为 八音律。

这一规律对较轻的元素很有效，但到了钙之后就失灵了。纽兰兹也没有为未发现的元素留出位置，有时还把两种元素硬塞进同一个位置。1866年他在伦敦化学会上介绍这一观点时，反应相当冷淡；据说有一位会员问他，如果按字母顺序排列元素，是否也能发现类似的规律。认可来得很晚：1887年，英国皇家学会授予他戴维奖章。

门捷列夫的周期表（1869）

1869年3月，俄国化学家德米特里·门捷列夫发表了一张周期表，按原子量排列元素，同时把化学性质相似的元素放在同一个家族中。几乎同一时期，德国化学家洛塔尔·迈耶尔也根据原子体积等物理性质的周期性，提出了一张非常相似的表。1882年，英国皇家学会同时授予两人戴维奖章。

门捷列夫的表之所以出类拔萃，在于两个大胆的选择。

1. 他留下了空位。 在性质不相符的地方，他拒绝把下一个已知元素硬塞进去，而是为尚未发现的元素留下空格。
2. 他预言了填补空位的元素。 1870年前后，他详细描述了几种缺失的元素，包括它们的原子量、密度和氧化物的化学式。

他用梵语前缀“eka-”（意为“一”，即比某已知元素“往后一格”）来命名这些未知元素。

镓的故事最富戏剧性。勒科克·德布瓦博德兰第一次测得的镓的密度，与门捷列夫预言的约5.9 g/cm³不符。门捷列夫建议他重新测量，样品进一步提纯后，结果果然接近预言值。锗的原子量、密度和氧化物性质也与预言高度吻合。这些成功使周期表从一套归档系统变成了关于自然规律的论断。

门捷列夫还调换了几对原子量顺序似乎颠倒的元素。碲比碘重，但碘显然属于卤素，所以他把碲排在前面。他认为是原子量的测量有误。真正的解释要到几十年后才出现。

新的家族：稀有气体（1894–1898）

1894年，瑞利勋爵和威廉·拉姆齐从空气中分离出了氩。它不与任何物质反应，因此无法归入任何现有的族。拉姆齐随后在地球上鉴定出了氦；1898年，他和同事们又发现了氖、氪和氙。结果周期表增加了一整列新的族，即今天的第18族。一项看似可能动摇周期表的发现，最终反而加强了它的规律性。

莫塞莱与原子序数（1913）

决定性的变化来自原子由原子核和电子构成这一发现。1913年，年轻的英国物理学家亨利·莫塞莱测量了一系列元素在电子轰击下发出的特征X射线的频率。他发现，频率的平方根从一种元素到下一种元素以相等的步长增加，并证明这个步长对应于原子核的电荷数，也就是 原子序数。

从此，周期表按原子序数而不是原子量来排列。碲和碘、氩和钾、钴和镍这些“别扭”的元素对，都自然而然地各就其位。莫塞莱的工作还使缺失的原子序数变得一目了然，标出了43、61、72、75、85和87号的空缺，这些空缺在随后几十年中被陆续填补。1915年，第一次世界大战期间，莫塞莱在加里波利阵亡，年仅27岁。

西博格的锕系概念（1945）

1940年，镎和钚被人工合成出来，开启了超铀元素的时代。当时人们认为钍、镤和铀是d区过渡金属的延伸，预计新元素也会随之排列。按照这种思路寻找95号和96号元素的尝试屡屡失败。

1945年，美国化学家格伦·西博格提出，从锕开始的元素构成一个独立的系列，填充5f轨道，就像镧系填充4f轨道一样。这一 锕系概念 违背了一些同事的建议，但基于它设计的实验成功鉴定出了镅和锔，表下方的第二行也由此形成了现代的样子。西博格分享了1951年诺贝尔化学奖，106号元素𬭳也成为以在世者命名的罕见例子。

第七周期的完成（2016）

从20世纪后期起，美国、俄罗斯、德国和日本的实验室竞相在粒子加速器中通过原子核碰撞来合成超重元素。新元素常常只凭几个原子、有时甚至只凭一个原子，通过追踪其衰变链来确认。

2015年底，IUPAC与IUPAP（国际纯粹与应用物理联合会）的联合工作组认定了113、115、117和118号元素的发现。它们的名称于2016年11月最终确定。

• 113号，鿭（Nh）：在日本发现，名称来自日本的日语国名
• 115号，镆（Mc）：以莫斯科州命名
• 117号，鿬（Ts）：以美国田纳西州命名
• 118号，鿫（Og）：以俄罗斯物理学家尤里·奥加涅相命名

至此，第7周期的全部32个位置都被填满，周期表达到了如今118种元素、没有空缺的形态。2019年，联合国以“国际化学元素周期表年”纪念门捷列夫周期表发表150周年。

接下来会怎样

合成119号和120号元素的努力仍在继续。一旦成功，就将开启第八周期；理论认为，最终可能出现一个填充g轨道的新分区。正如门捷列夫的空位曾为新发现指明方向，今天的周期表依然承载着下一个有待解答的问题。