週期表的歷史：從煉金術到第 118 號元素

古代元素與煉金術

今天的元素中，有十種早在人們以現代意義使用「元素」一詞之前就已為人所知：金、銀、銅、鐵、錫、鉛、汞、硫、碳和銻。沒有人知道是誰最先發現它們。古希臘的思想家沿用恩培多克勒和亞里斯多德的看法，認為萬物都是四種元素（土、水、氣、火）的混合，這個想法延續了將近兩千年。

伊斯蘭世界和中世紀歐洲的煉金術士試圖把廉價金屬變成黃金。他們失敗了，卻改良了蒸餾等實驗室方法。1661 年，波以耳在《懷疑的化學家》一書中質疑四元素說，呼籲化學家相信實驗；1669 年，煉金術士布蘭德在尋找賢者之石時發現了磷，這是最早有記錄發現者的元素之一。

拉瓦節的單質清單（1789 年）

現代化學隨著法國化學家拉瓦節而成形。他透過仔細稱重證明化學反應中質量不會消失，並為氧和氫命名。在 1789 年出版的《化學基礎論》中，他以實用的方式定義元素：一種任何已知化學方法都無法將它分解成更簡單物質的物質。

這本書列出了 33 種這樣的「單純物質」，分成氣體、非金屬、金屬和土類。大多數是真正的元素，但光和熱也在清單上，而石灰和矽石等土類後來被證明是化合物。即便如此，拉瓦節還是給了化學家一個清楚且可檢驗的元素定義，以及可供後人在其上發展的第一份清單。

道耳吞與原子的稱重

1803 年前後，英國教師道耳吞提出，每種元素都由它自己那種原子構成，且有自己的重量。原子實在太小，無法直接稱量，所以他從元素結合的比例推算出相對重量，並以氫為 1，發表了最早的原子量表之一。

道耳吞的許多數值都不準確，因為他不得不猜測化學式；例如他以為水是 HO 而不是 H₂O。瑞典化學家貝吉里斯以精確得多的方式測量原子量，並引入了沿用至今的字母符號，但爭議一直持續到 1860 年的卡爾斯魯厄會議，康尼乍若在會上說明了如何得到一套前後一致的原子量。門得列夫和邁爾當時都在聽眾席上。

德貝萊納的三元素組（1829 年）

德國化學家德貝萊納最早提出了原子量與化學性質有關聯的明確線索。1829 年，他描述了「三元素組」，也就是三個性質相似的元素為一組，中間元素的原子量接近另外兩者的平均值：鈣、鍶和鋇；氯、溴和碘；以及鋰、鈉和鉀。

三元素組揭示了天然的元素家族，但只有少數元素符合，而且沒有辦法把一組和下一組連起來。

螺旋與八音律（1862–1865 年）

1862 年，法國地質學家尚古多把元素依原子量順序寫在纏繞於圓柱體的螺旋線上，使相似的元素上下對齊。他的「碲螺旋」以碲命名，是最早顯示性質重複出現的排列之一，但發表時沒有附上圖解，所以大多沒有受到注意。

1865 年，英國化學家紐蘭茲注意到，依原子量排列時，每隔八個元素，性質就似乎會重複第一個元素，就像音階中的音符一樣。他的八音律對較輕的元素有效，但在鈣之後就不成立了，1866 年倫敦化學學會拒絕發表這項研究。

門得列夫與邁爾（1869–1870 年）

聖彼得堡的化學教授門得列夫在編寫教科書時，開始尋找元素背後的秩序。1869 年初，他把當時已知的元素按原子量排成表格，讓相似的元素排在一起，並在 3 月把論文提交給俄羅斯化學學會。他提出了週期律：元素依原子量排列時，性質會以規律的間隔重複出現。

他的週期表與眾不同之處在於它的大膽。門得列夫把化學性質放在嚴格的重量順序之前，為他認為尚未發現的元素留下空位，並主張有些公認的原子量是錯的。

在德國，邁爾獨立得出非常相似的週期表，並在 1870 年發表，還附上一張圖，顯示原子體積隨原子量增加而呈波浪式起伏。1882 年，倫敦皇家學會把戴維獎章同時頒給兩人。

預言獲得證實（1875–1886 年）

門得列夫詳細描述了三種缺少的元素，稱為類鋁、類硼和類矽，其中「類」字來自梵文 eka，意思是「一」，指已知元素之後的一個位置。它們後來分別以鎵、鈧和鍺的身分出現：鎵由勒科克·德·布瓦博德蘭於 1875 年發現，鈧由尼爾森於 1879 年發現，鍺由溫克勒於 1886 年發現。

吻合的程度令人驚嘆。對於類矽，門得列夫預測原子量約為 72，密度約為每立方公分 5.5 公克；鍺的實際數值是 72.6 和 5.3。懷疑者被說服了，週期表也成為化學的核心地圖。

稀有氣體找到位置（1890 年代）

1894 年，瑞利勳爵和拉姆齊發現了氬，這是一種藏在普通空氣中的不活潑氣體。到了 1898 年，拉姆齊又在地球上分離出氦，並與特拉弗斯一起發現了氖、氪和氙；氡則在 1899 年至 1900 年間相繼發現。這些氣體都不符合任何既有的縱行。

答案是在鹵素和鹼金屬之間設立一整個新的族，最初稱為 0 族，現在稱為第 18 族。它完美地融入週期規律，1904 年拉姆齊獲得諾貝爾化學獎，瑞利獲得諾貝爾物理學獎。

莫斯利與原子序（1913 年）

有幾對元素，例如氬和鉀，或鈷和鎳，依原子量排列仍然次序顛倒。1913 年，年輕的英國物理學家莫斯利在曼徹斯特拉塞福的實驗室裡，測量了不同元素發出的 X 射線，發現它們的頻率從一個元素到下一個元素是等間隔上升的。

每一步都對應原子核中多一個單位的正電荷。這個原子序成為週期表真正的依據，也明確指出哪些元素還沒有被發現。莫斯利於 1915 年在加里波利戰役中陣亡，年僅 27 歲。

西博格、錒系元素與超重元素（1940–2016 年）

科學家也學會製造在自然界中極為稀少或根本不存在的元素。1937 年製得的鎝是第一個人工製造的元素，1940 年鎿和鈽成為最早的超鈾元素。1944 年，西博格提出從錒開始的元素自成一個系列，稱為錒系元素，很像鑭系元素。這個想法在 1945 年發表，使它們被移到主表下方的獨立一列，也讓週期表有了現代的樣貌。

從那時起，美國、蘇聯以及後來的俄羅斯、德國和日本的實驗室，藉由融合原子核製造出越來越重的元素，往往一次只得到幾個原子。IUPAC 和 IUPAP，也就是化學與物理的國際組織，組成聯合工作小組來評判每一項主張。2016 年，最後四個獲得確認的元素被命名為鉨、鏌、鿬和鿫，補滿了第七週期。尋找第 119 號和第 120 號元素的工作仍在繼續，它們將開啟第八週期。