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第七章 基本物质(4)

门捷列夫兢兢业业地完成了学业,最后任职于当地的一所大学。他在那里是个称职的而又不很突出的化学家,更以他乱蓬蓬的头发和胡子而不是以他在实验室里的才华知名。他的头发和胡子每年只修剪一次。

然而,1869年,在他35岁的那一年,他开始琢磨元素的排列方法。当时,元素通常以两种方法排列--要么按照原子量(使用阿伏伽德罗定律),要么按照普通的性质(比如,是金属还是气体)。门捷列夫的创新在于,他发现二者可以合在一张表上。

实际上,门捷列夫的方法,3年以前一位名叫约翰·纽兰兹的英格兰业余化学家已经提出过,这是科学上常有的事。纽兰兹认为,如果元素按照原子量来进行排列,它们似乎依次每隔8个位置重复某些特点--从某种意义上说,和谐一致。有点不大聪明的是--因为这么做时间还不成熟--纽兰兹将其命名为"八度定律",把这种安排比做钢琴键盘上的八度音阶。纽兰兹的说法也许有点道理,但这种做法被认为是完全荒谬的,受到了众人的嘲笑。

在集会上,有的爱开玩笑的听众有时候会问他,他能不能用他的元素来弹个小曲子。纽兰兹灰心丧气,没有再研究下去,不久就销声匿迹了。

门捷列夫采用了一种稍稍不同的方法,把每七个元素分成一组,但使用了完全相同的前提。突然之间,这方法似乎很出色,视角很清晰。由于那些特点周期性地重复出现,所以这项发明就被叫做"周期表"。

据说,门捷列夫是从北美洲的单人牌戏获得了灵感,从别处获得了耐心。在那种牌戏里,纸牌按花色排成横列,按点数排成纵行。他利用一种十分相似的概念,把横列叫做周期,纵行叫做族。上下看,马上可以看出一组关系;左右看,看出另一组关系。具体来说,纵列把性质类似的元素放在一起。因此,铜的位置在银的上面,银的位置在金的上面,因为它们都具有金属的化学亲和性;而氦、氖和氩处于同一纵行,因为它们都是气体。(决定排列顺序的,实际上是它们的电子价。若要搞懂电子价,你非得去报名上夜校。)与此同时,元素按照它们核里的质子数--叫做原子序数--从少到多地排成横列。

有关原子的结构和质子的意义,我们将在下一章加以叙述。眼下,我们只来认识一下那个排列原则:氢只有一个质子,因此它的原子序数是1,排在表上第一位;铀有92个质子,因此快要排到末尾,它的原子序数是92。在这个意义上,正如菲利普·鲍尔指出的,化学实际上只是个数数的问题。(顺便说一句,不要把原子序数和原子量混在一起。原子量是某个元素的质子数加中子数之和。)

还有大量的东西人们不知道或不懂得。宇宙中最常见的元素是氢;然而,在后来的30年里,对它的认识到此为止。氦是第二多的元素,是在此之前一年才发现的--以前谁也没有想到它的存在--而即使发现,也不是在地球上,而是在太阳里。它是在一次日食时用分光镜发现的,因此以希腊太阳神赫利奥斯命名。直到1895年,氦才被分离出来。即使那样,还是多亏了门捷列夫的发明,化学现在才站稳了脚跟。

对我们大多数人来说,周期表是一件美丽而抽象的东西,而对化学家来说,它顿时使化学变得有条有理,明明白白,怎么说也不会过分。"毫无疑问,化学元素周期表是人类发明出来的最优美、最系统的图表。"罗伯特·E.克雷布斯在《我们地球上的化学元素:历史与应用》一书中写道--实际上,你在每一部化学史里都可以看到类似的评价。

今天,已知的元素有"120种左右"--92种是天然存在的,还有20多种是实验室里制造出来的。实际的数目稍有争议,那些合成的重元素只能存在百万分之几秒,是不是真的测到了,化学家们有时候意见不一。在门捷列夫时代,已知的元素只有63种。之所以说他聪明,在一定程度上是因为他意识到当时已知的还不是全部元素,许多元素还没有发现。他的周期表准确地预言,新的元素一旦发现就可以各就各位。

顺便说一句,没有人知道元素的数目最多会达到多少,虽然原子量超过168的任何东西都被认为是"纯粹的推测";但是,可以肯定,凡是找到的元素都可以利索地纳入门捷列夫那张伟大的图表。

19世纪给了化学家们最后一个重要的惊喜。这件事始于1896年。亨利·贝克勒尔在巴黎不慎把一包铀盐忘在抽屉里包着的感光板上。过一些时候以后,当他取出感光板的时候,他吃惊地发现铀盐在上面烧了个印子,犹如感光板曝过了光。铀盐在释放某种射线。

考虑到这项发现的重要性,贝克勒尔干了一件很古怪的事:他把这事儿交给一名研究生来调查。说来运气,这位学生恰好是一位新来的波兰移民,名叫玛丽·居里。居里和她的新丈夫皮埃尔合作,发现有的岩石源源不断地释放出大量能量,而体积又没有变小,也没有发生可以测到的变化。她和她的丈夫不可能知道的是--下个世纪爱因斯坦作出解释之前谁也不可能知道的是--岩石在极其有效地把质量转变成能量。玛丽·居里把它称之为"放射作用"。在合作过程中,居里夫妇还发现两种新的元素--钋和铀。钋以她的祖国波兰命名。

1903年,居里夫妇和贝克勒尔一起获得了诺贝尔物理学奖。(1911年,玛丽·居里又获得了诺贝尔化学奖;她是既获化学奖又获物理学奖的惟一一人。)

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