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西奥多·本菲所设计的螺旋式元素周期表（完成于1964年）| 图片源自：DePiep/Wikipedia
内容来源：Conversation
作者：Mark Lorch
译文：赵晓楠
校对：戚译引
化学实验室的墙上几乎无一例外地张贴着元素周期表。这份重要科学成果的创制者通常被归功于俄国化学家迪米特里·门捷列夫（Dimitri Mendeleev）。在1869年，他将当时已掌握的63种元素记录在卡片上，并依据化学与物理特性将它们系统性地排列。为纪念这一科学里程碑的150周年，联合国特别将2019年定为“国际化学元素周期表年”。
然而，门捷列夫并非首个尝试对化学元素进行分类排序的科学家。在他之前数十年，化学家约翰·道尔顿（John Dalton）曾尝试构建元素表格并设计过颇具创意的元素符号，但这些成果未能广泛传播。而在门捷列夫着手编制周期表的前几年，约翰·纽兰兹（John Newlands）也提出了基于元素属性分类的表格方案。
约翰·道尔顿的元素列表示意图。| 图片来源：Wikimedia Commons
门捷列夫的卓越之处主要体现在他对周期表中空白位置的巧妙运用。他敏锐地意识到部分元素尚未被发现，因此预留了相应的位置。道尔顿、纽兰兹以及其他学者仅是对已知元素进行了排列，唯有门捷列夫为未知领域留下了探索空间。更令人惊叹的是，他精准地预测了这些未知元素的性质特征。
门捷列夫周期表中包含的未知元素。| 图片来源：Wikimedia Commons
请留意上表中标注的问号符号？例如，在铝（Al）元素右侧存在着为某种未知金属预留的空位，门捷列夫预言其相对原子质量约为68，密度为6g/cm³，且熔点较低。六年后，保罗·埃米尔·勒科克·德布瓦博德兰（Paul Émile Lecoq de Boisbaudran）成功分离出镓（Ga）元素，完美填补了这一理论空缺——该元素的相对原子质量为69.7，密度为5.9g/cm³，熔点确实较低，甚至可以在常温下被手心融化成液态。门捷列夫对钪（Sc）、锗（Ge）和锝（Tc）等元素的预测也呈现出相似准确性，尽管锝（Tc）的发现直至1937年才实现，此时门捷列夫已离世三十载。
初看之下，门捷列夫的周期表与我们今日所熟知的版本存在显著差异。一方面，现代周期表中包含着他未能涵盖的诸多元素（且未为其预留位置），其中最突出的便是惰性气体（如氦、氖、氩等）。此外，该表的排列方式也与现代版本不尽相同——现今我们按照纵列排列元素，再横向展开。
现代元素周期表示意图。| 图片来源：Wikimedia Commons
然而，若将门捷列夫的表格旋转90度，其与现代版本之间的内在联系便一目了然。例如，卤族元素——氟（F）、氯（Cl）、溴（Br）和碘（I）（门捷列夫表格中对应的符号为J）呈现连续排列的态势。如今，这些元素被系统性地排列在元素周期表的第17列（化学家更倾向于称其为第17族，即第七主族 VIIA）。
元素周期表的探索与发展阶段
从门捷列夫的原始周期表演变至当代标准版本，看似仅需微调。但事实上，在门捷列夫论文发表后的数十年间，科研人员围绕元素的其他排列方式与分布模式展开了大量实验研究。在将门捷列夫表格旋转90度并确定最终形态之前，人们曾尝试过多种奇特而创新的排列方案。
（a）海因里希·鲍姆豪尔（Heinrich Baumhauer）于1870年提出的螺旋式元素周期表设计；
（b）1915年由阿洛瓦斯·比列基（Alois Bilecki）设计的螺旋形元素周期表；
（c）亨利·巴塞特（Henry Basset）在1892年提出的独特“哑铃”结构设计。
图片来源：http://www.chem.msu.ru/eng/misc/mendeleev/hyper/
海因里希·鲍姆豪尔（Heinrich Baumhauer）提出的螺旋结构设计尤为引人关注，该设计以氢元素为核心，按照相对原子质量递增的顺序呈螺旋状排列元素。位于每个螺旋辐条上的元素均具有相似化学属性，这与现代元素周期表中同一族的元素特性高度吻合（参见上图 a）。此外，亨利·巴塞特（Henry Basset）在1892年提出的“哑铃”构想（参见上图 c）也颇具特色。
进入20世纪初，元素周期表的布局逐渐稳定为现今常见的水平排列形式，这一演变与1905年海因里希·维尔纳（Heinrich Werner）设计的现代版本基本一致，稀有气体首次以我们当前熟悉的位置出现在表格的最右侧。维尔纳借鉴了门捷列夫的创举，在周期表中预留了空白位置，尽管他的预测存在一定偏差。他认为存在比氢更轻的元素，同时预言氢与氦之间还存在另一种未知元素（这两项猜测最终未被证实）。
海因里希·维尔纳设计的元素周期表。| 图片来源：American Chemical Society.
尽管该版本已颇具现代感，但仍需进一步优化调整。其中具有深远影响的是查尔斯·詹内特（Charles Janet）的改良方案。他借鉴物理学家的研究方法，运用新发现的量子理论，构建了一个基于电子构型的元素排列体系。由此产生的左阶元素周期表至今仍受到众多物理学家的推崇。值得注意的是，詹内特将未知元素一直排列至120号，而当时已知的元素仅有92种（如今确认的元素数量也仅达118种）。
查尔斯·詹内特的左阶元素周期表。| 图片来源：Wikipedia, CC BY-SA
经典设计最终成型
现代元素周期表实质上是詹内特版本的直接发展演变。碱金属（以锂为首要元素的第一主族）和碱土金属（以铍为首要元素的第二主族）从原位置迁移至最左侧，从而形成了一个更为宽阔的元素周期表。这种布局布局存在一定局限性，难以适应标准页面或海报的展示需求，因此出于美观考量，f区元素（即镧系与锕系元素）通常会被移至主表下方独立呈现。元素周期表正是通过这一系列演变，逐渐形成了我们今天所熟知的最终形态。
然而，人类对元素周期表布局的优化探索从未停止，这些调整通常旨在突出传统表格未能充分体现的元素间内在关联。截至目前，元素周期表已衍生出数百种不同版本（可通过Mark Leach的数据库进行查阅），其中螺旋式和三维立体版本尤为引人注目，更不用说那些充满趣味创意的幽默版本了。
三维立体风格的门捷列夫元素周期表。| 图片来源：Тимохова Ольга/Wikipedia, CC BY-SA
我将门捷列夫的原始表格与亨利·贝克（Henry Beck）设计的伦敦地铁线路图这两个标志性视觉符号进行创意融合，呈现效果如何？
本文作者原创设计的地铁元素周期表。| 图片由作者 Mark Lorch 特别提供
此外，还有那些令人眼花缭乱的创意模仿作品，它们致力于为从啤酒到迪士尼卡通形象等各类事物赋予科学内涵。所有这些创作实践都表明，元素周期表早已超越单纯科学工具的范畴，成为具有广泛文化影响力的标志性符号。
追剧《生活大爆炸》的朋友们是否还记得这款特色浴帘？| 图片来源：https://www.spotern.com
* 本文作者 Mark Lorch 为英国赫尔大学（University of Hull）科学传播与化学领域教授。
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编辑：重光
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