元素周期表的历史：从炼金术到 118 号元素

古代元素与炼金术

在人们以现代意义使用“元素”一词之前很久，今天的十种元素就已为人所知：金、银、铜、铁、锡、铅、汞、硫、碳和锑。没有人知道是谁最先发现了它们。古希腊思想家继承恩培多克勒和亚里士多德的观点，认为万物都是四种元素（土、水、气、火）的混合，这一想法流传了将近两千年。

伊斯兰世界和中世纪欧洲的炼金术士试图把廉价金属变成黄金。他们失败了，却改进了蒸馏等实验室方法。1661 年，罗伯特·波义耳在《怀疑的化学家》中质疑四元素说，呼吁化学家相信实验；1669 年，炼金术士亨尼格·布兰德在寻找贤者之石时发现了磷，它是最早有明确记载发现者的元素之一。

拉瓦锡的简单物质表（1789 年）

现代化学是随着法国化学家安托万·拉瓦锡而成形的，他通过精确称量证明化学反应中质量不会消失，并为氧和氢命名。在 1789 年的《化学基础论》中，他从实际操作角度定义了元素：任何已知化学方法都无法再分解为更简单物质的物质。

这本书列出了 33 种这样的“简单物质”，分为气体、非金属、金属和土类。其中大多数确是元素，但光和热也在名单上，而石灰和二氧化硅这样的土类后来被证明是化合物。即便如此，拉瓦锡还是给了化学家一个清晰、可检验的元素定义，以及可以继续完善的第一份名单。

道尔顿与原子的称量

1803 年前后，英国教师约翰·道尔顿提出，每种元素都由自己特有的原子构成，每种原子有自己的质量。原子太小，无法直接称量，所以他根据元素化合时的比例推算出相对质量，以氢为 1，并发表了最早的原子量表之一。

道尔顿的许多数值并不准确，因为他只能猜测化学式；例如，他认为水是 HO 而不是 H₂O。瑞典化学家永斯·雅各布·贝采利乌斯把原子量测得精确得多，并引入了沿用至今的字母符号，但分歧一直持续到 1860 年的卡尔斯鲁厄会议，会上斯坦尼斯劳·坎尼扎罗展示了如何得到一套自洽的原子量。门捷列夫和洛塔尔·迈尔都在听众席上。

德贝赖纳的三元素组（1829 年）

原子量与化学性质相关的最早明确线索之一，来自德国化学家约翰·沃尔夫冈·德贝赖纳。1829 年，他描述了“三元素组”：三种相似元素为一组，其中间元素的原子量接近另外两者的平均值，例如钙、锶和钡，氯、溴和碘，以及锂、钠和钾。

三元素组揭示了元素的天然家族，但符合的元素只有少数几组，而且无法把一组三元素与下一组联系起来。

螺旋线与八音律（1862–1865 年）

1862 年，法国地质学家亚历山大-埃米尔·贝吉耶·德尚古尔多把元素按原子量顺序写在一条绕着圆柱体缠绕的螺旋线上，使相似的元素上下对齐。他的“碲螺旋”以碲命名，是最早显示性质呈周期性重复的排列之一，但发表时没有附上图示，因而基本没有引起注意。

1865 年，英国化学家约翰·纽兰兹注意到，按原子量顺序排列时，每隔八个元素，性质似乎就会重复第一个元素的性质，就像音阶中的音符一样。他的八音律对较轻的元素有效，但在钙之后就不再成立，1866 年伦敦化学学会拒绝发表这一成果。

门捷列夫与洛塔尔·迈尔（1869–1870 年）

圣彼得堡的化学教授德米特里·门捷列夫在撰写教科书时，开始寻找元素背后的秩序。1869 年初，他把当时已知的元素按原子量排成一张使相似元素对齐的表格，3 月，他的论文在俄罗斯化学会上宣读。他提出了周期律：元素按原子量排列时，其性质会以规则的间隔重复出现。

他的周期表与众不同之处在于大胆。门捷列夫把化学性质置于严格的质量顺序之前，为他相信尚未被发现的元素留出空位，还指出某些公认的原子量是错误的。

在德国，洛塔尔·迈尔独立得出了一张非常相似的周期表，并于 1870 年发表，同时附有一张图，显示原子体积随原子量增加而呈波浪式起伏。1882 年，伦敦皇家学会向两人同时颁发了戴维奖章。

预言得到证实（1875–1886 年）

门捷列夫详细描述了三种缺失的元素，称之为类铝、类硼和类硅，其中“类”（eka）来自梵语 eka，意为“一”，表示位于某已知元素之后的一个位置。它们后来分别被发现，即 1875 年保罗-埃米尔·勒科克·德·布瓦博德兰发现的镓、1879 年拉尔斯·弗雷德里克·尼尔森发现的钪，以及 1886 年克莱门斯·温克勒发现的锗。

吻合之处惊人。门捷列夫预测类硅的原子量约为 72，密度约为每立方厘米 5.5 克；锗的实际值是 72.6 和 5.3。怀疑者被说服了，元素周期表成为化学的核心地图。

稀有气体找到了位置（19 世纪 90 年代）

1894 年，瑞利勋爵和威廉·拉姆齐发现了氩，这是一种藏在普通空气中的不活泼气体。到 1898 年，拉姆齐又在地球上分离出氦，并与莫里斯·特拉弗斯一起发现了氖、氪和氙；氡则在 1899 年至 1900 年间相继被发现。这些气体都不符合任何现有的列。

答案是在卤素和碱金属之间新增一整个族，起初称为 0 族，现在称为 18 族。它与周期规律完美契合，1904 年拉姆齐获得诺贝尔化学奖，瑞利获得诺贝尔物理学奖。

莫塞莱与原子序数（1913 年）

少数几对元素，例如氩和钾、钴和镍，在按质量排列时仍然顺序颠倒。1913 年，年轻的英国物理学家亨利·莫塞莱在曼彻斯特欧内斯特·卢瑟福的实验室里测量了不同元素发出的 X 射线，发现它们的频率从一个元素到下一个元素呈均匀的阶梯式上升。

每上升一级，就对应原子核多一个单位的正电荷。这个原子序数成为周期表真正的基础，并清楚地显示出哪些元素仍然缺失。1915 年，莫塞莱在加里波利战死，年仅 27 岁。

西博格、锕系元素与超重元素（1940–2016 年）

科学家还学会了制造自然界中极为稀少或根本不存在的元素。1937 年制得的锝是第一个人工制造的元素，1940 年镎和钚成为第一批铀之后的元素。1944 年，格伦·西博格提出，从锕开始的元素构成自己的系列，即锕系元素，很像镧系元素。这一想法于 1945 年发表，它把锕系元素移到主表下方单独的一行，使周期表有了现代的形状。

此后，美国、苏联以及后来的俄罗斯、德国和日本的实验室通过原子核聚变制造出越来越重的元素，往往一次只能得到几个原子。化学和物理学的国际组织 IUPAC 和 IUPAP 的联合工作组现在负责评判每一项声明。2016 年，最后四个获得确认的元素被命名为鉨（nihonium）、镆（moscovium）、鿬（tennessine）和鿫（oganesson），第七行至此补全。寻找 119 号和 120 号元素的工作仍在继续，它们将开启第八行。