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重写元素周期表，迫在眉睫还是天方夜谭？

2019.3.29

　　为纪念俄国科学家门捷列夫（Dmitri Mendelev）发明元素周期表150周年，2019年被联合国定为元素周期表国际年。这张表有着让人无法忽略之美，因此在众多的文艺作品，如电影《星球大战》，还有大卫鲍伊的歌中，都能看到向它致敬的内容。然而，除了美学意义，其作为一种科学图谱，是否在150年后，还能代表元素的特征，并指导新元素的发现，是科学家们的心结和挑战。

　　150多年前，在人们最开始研究化学元素的时候，运用的是一种叫“八度法”的法则，略晓音律的人都能看出这个法则与音高的规律不谋而合。没错，正如在钢琴上，每到第八个键就开启下一个循环，好像第一个音符某种特性还在，只是发生在新的阶梯上，元素周期表也有异曲同工之处。由于元素这种奇妙的周期性，我们将它分成了不同的周期、主族、副族……比如稀有气体的0族。

　　正如音符有各种排列方式产生美妙的音乐，元素似乎也有许多组合方式，究竟哪一种才是最佳排序，长期以来，争议从未停止过。有些化学家认为其中一些元素应当调整顺序，有的则认为整个元素周期表应当重新规划。

　　在最开始的时候，元素周期表是按照原子重量排序的，此后又改成了以质子数递增排序，但众所周知，原子的性质与其电子数也是极大相关的，又是否该按电子数来排序？

有个新方案看起来像圣诞树

　　元素的性质与最外层电子数息息相关，目前表格型的设计将最外层电子数相同的元素放在同一个族中，尽管非常科学，但是依然存在瑕疵，例如氢的存在状态是氢气，跟其后的活泼金属不是一类物质，将它们归结在一个族中未免有失偏颇。

　　当原子或原子团最外层电子数为2或8的时候，它处于最稳定的结构，原子都有趋于稳定的性质，因此氢原子在一起都结合成了氢气。从这一层面而言，似乎把氢归纳到卤族更加合适。

为什么金和水银看起来格格不入？

　　水银在常温下是液体，在形态上与其同主族的锌和镉等所有元素都不一样，那么为什么它会排到了这一列？

　　元素周期表越往后，原子核中包含的质子数就越多，意味着原子核对其周围原子产生的引力越大，电子绕核运动的速度越快，到了水银这个位置，电子已经达到58%的光速。根据爱因斯坦的狭义相对论，这会导致它们的有效质量显着高于电子的正常质量，将加剧了它们受到的向内拉力。

　　固体的形成需要原子间成键，水银由于其原子核拉力巨大，将外层电子紧紧缚住，以至于无法成键，只能以液体形式存在。而黄金作为金属中颜色特殊的存在，也是由于相对论效应，改变了电子吸收光的方式。

镧系和锕系的迷思

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　　我们知道电子围绕原子核运行有特定的轨道，当填满了内层轨道后，才开始进入下一轨道。当元素周期表按此排序进入到镧系和锕系的时候，镧系和锕系两个系列的元素随着原子序数的增加都只在内层轨道（相应的4f和5f轨道）充填电子，其外层轨道（相应的6s、5d和7s、6d轨道）的电子排布基本相同，为了区别其近似的化学性质，我们将其单独列于元素周期表之外，从而在第三族留下一个缺口。

　　然而，科学家对F区中哪些元素应该排在最前面仍有争议。一些化学家坚持认为，应按电子的排序来确定顺序，即维持现在的顺序，把镧和锕排在F区最左侧。还有人认为，按化学性质（如原子半径和熔点）来看，把目前排在最右的镥和铹排在最前面更好。

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从头再来

　　1、一些化学家关注到了这些问题，并希望能重新绘制元素素周期表。

　　2、退休的加拿大化学家Fernando Dufour发明了一种看似圣诞树的3D元素周期表。

　　3、Theodor Benfey设计了螺旋形的元素周期表，它的f块向外凸出。

　　4、美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的Eric Scerri主张彻底变革：通过把F区的全部30种元素放进现在的第二和第三族之间，使竖列从18列变为32列。这样周期表中的原子序号就可以连续排列。

　　5、德国马克斯•普朗克数学研究所的Guillermo Restrepo赞同镧应属于第三族——也就是说，不应该是当前的排布顺序。

　　重写元素周期表听起来有些天方夜谭又遥不可及，但其实已经非常迫切，119号元素即将被发现，它将在当前的元素周期表上何去何从呢……

化学元素周期表

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