加拿大化學(xué)家Fernando Dufour發(fā)明了一種看似圣誕樹的3D元素周期表

為紀(jì)念俄國(guó)科學(xué)家門捷列夫（Dmitri Mendelev）發(fā)明元素周期表150周年，2019年被聯(lián)合國(guó)定為元素周期表國(guó)際年。這張表有著讓人無(wú)法忽略之美，因此在眾多的文藝作品，如電影《星球大戰(zhàn)》，還有大衛(wèi)鮑伊的歌中，都能看到向它致敬的內(nèi)容。然而，除了美學(xué)意義，其作為一種科學(xué)圖譜，是否在150年后，還能代表元素的特征，并指導(dǎo)新元素的發(fā)現(xiàn)，是科學(xué)家們的心結(jié)和挑戰(zhàn)。

150多年前，在人們最開始研究化學(xué)元素的時(shí)候，運(yùn)用的是一種叫“八度法”的法則，略曉音律的人都能看出這個(gè)法則與音高的規(guī)律不謀而合。沒(méi)錯(cuò)，正如在鋼琴上，每到第八個(gè)鍵就開啟下一個(gè)循環(huán)，好像第一個(gè)音符某種特性還在，只是發(fā)生在新的階梯上，元素周期表也有異曲同工之處。由于元素這種奇妙的周期性，我們將它分成了不同的周期、主族、副族……比如稀有氣體的0族。

正如音符有各種排列方式產(chǎn)生美妙的音樂(lè)，元素似乎也有許多組合方式，究竟哪一種才是最佳排序，長(zhǎng)期以來(lái)，爭(zhēng)議從未停止過(guò)。有些化學(xué)家認(rèn)為其中一些元素應(yīng)當(dāng)調(diào)整順序，有的則認(rèn)為整個(gè)元素周期表應(yīng)當(dāng)重新規(guī)劃。

在最開始的時(shí)候，元素周期表是按照原子重量排序的，此后又改成了以質(zhì)子數(shù)遞增排序，但眾所周知，原子的性質(zhì)與其電子數(shù)也是極大相關(guān)的，又是否該按電子數(shù)來(lái)排序？

有個(gè)新方案看起來(lái)像圣誕樹

元素的性質(zhì)與最外層電子數(shù)息息相關(guān)，目前表格型的設(shè)計(jì)將最外層電子數(shù)相同的元素放在同一個(gè)族中，盡管非?？茖W(xué)，但是依然存在瑕疵，例如氫的存在狀態(tài)是氫氣，跟其后的活潑金屬不是一類物質(zhì)，將它們歸結(jié)在一個(gè)族中未免有失偏頗。

當(dāng)原子或原子團(tuán)最外層電子數(shù)為2或8的時(shí)候，它處于最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，原子都有趨于穩(wěn)定的性質(zhì)，因此氫原子在一起都結(jié)合成了氫氣。從這一層面而言，似乎把氫歸納到鹵族更加合適。

為什么金和水銀看起來(lái)格格不入？

水銀在常溫下是液體，在形態(tài)上與其同主族的鋅和鎘等所有元素都不一樣，那么為什么它會(huì)排到了這一列？

元素周期表越往后，原子核中包含的質(zhì)子數(shù)就越多，意味著原子核對(duì)其周圍原子產(chǎn)生的引力越大，電子繞核運(yùn)動(dòng)的速度越快，到了水銀這個(gè)位置，電子已經(jīng)達(dá)到58%的光速。根據(jù)愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論，這會(huì)導(dǎo)致它們的有效質(zhì)量顯著高于電子的正常質(zhì)量，將加劇了它們受到的向內(nèi)拉力。

固體的形成需要原子間成鍵，水銀由于其原子核拉力巨大，將外層電子緊緊縛住，以至于無(wú)法成鍵，只能以液體形式存在。而黃金作為金屬中顏色特殊的存在，也是由于相對(duì)論效應(yīng)，改變了電子吸收光的方式。

鑭系和錒系的迷思

我們知道電子圍繞原子核運(yùn)行有特定的軌道，當(dāng)填滿了內(nèi)層軌道后，才開始進(jìn)入下一軌道。當(dāng)元素周期表按此排序進(jìn)入到鑭系和錒系的時(shí)候，鑭系和錒系兩個(gè)系列的元素隨著原子序數(shù)的增加都只在內(nèi)層軌道（相應(yīng)的4f和5f軌道）充填電子，其外層軌道（相應(yīng)的6s、5d和7s、6d軌道）的電子排布基本相同，為了區(qū)別其近似的化學(xué)性質(zhì)，我們將其單獨(dú)列于元素周期表之外，從而在第三族留下一個(gè)缺口。

然而，科學(xué)家對(duì)F區(qū)中哪些元素應(yīng)該排在最前面仍有爭(zhēng)議。一些化學(xué)家堅(jiān)持認(rèn)為，應(yīng)按電子的排序來(lái)確定順序，即維持現(xiàn)在的順序，把鑭和錒排在F區(qū)最左側(cè)。還有人認(rèn)為，按化學(xué)性質(zhì)（如原子半徑和熔點(diǎn)）來(lái)看，把目前排在最右的镥和鐒排在最前面更好。

從頭再來(lái)

一些化學(xué)家關(guān)注到了這些問(wèn)題，并希望能重新繪制元素素周期表。

退休的加拿大化學(xué)家Fernando Dufour發(fā)明了一種看似圣誕樹的3D元素周期表。

Theodor Benfey設(shè)計(jì)了螺旋形的元素周期表，它的f塊向外凸出。

美國(guó)加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校的Eric Scerri主張徹底變革：通過(guò)把F區(qū)的全部30種元素放進(jìn)現(xiàn)在的第二和第三族之間，使豎列從18列變?yōu)?2列。這樣周期表中的原子序號(hào)就可以連續(xù)排列。

德國(guó)馬克斯?普朗克數(shù)學(xué)研究所的Guillermo Restrepo贊同鑭應(yīng)屬于第三族——也就是說(shuō)，不應(yīng)該是當(dāng)前的排布順序。

重寫元素周期表聽起來(lái)有些天方夜譚又遙不可及，但其實(shí)已經(jīng)非常迫切，119號(hào)元素即將被發(fā)現(xiàn)，它將在當(dāng)前的元素周期表上何去何從呢……