發明元素週期表?發夢啦

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原子序數 101 號元素以 Mendelevium (鍆)命名,以紀念俄國化學家 Dmitri Mendeleev 發明的週期表。 圖片來源:英國皇家化學學會
原子序數 101 號元素以 Mendelevium (鍆)命名,以紀念俄國化學家 Dmitri Mendeleev 發明的週期表。 圖片來源:英國皇家化學學會

1869 年 2 月 17 日,科學史意義上第一張元素週期表草稿誕生了,並且與一個夢有關。

俄羅斯化學教授 Dmitri Mendeleev 在 1869 年正埋首編寫他的化學教科書,他一直苦苦思索如何把不同具化學特性的元素排列分序。他決心要找出已知的 63 個元素之間的規律,於是把各元素的名字及其原子量寫在卡牌上,方便分類和排序,猶如玩紙牌接龍遊戲。就在 2 月 17 日,他本應要前往一間本地芝士企業作顧問,卻選擇繼續留在家中,因他覺得只差一點便可以取得突破解開謎題,其中一張草稿便畫在那企業的顧問邀請信背面。

Dmitri Mendeleev,1897 年。 圖片來源:wkipemedia
Dmitri Mendeleev,1897 年。 圖片來源:wkipemedia

最終他成功了,解謎的關鍵卻相當傳奇。他後來表示,是一個夢讓他撥開雲霧,其好友地理學教授 A.A.Inostrantsev 也印證了這個說法。就在 Mendeleev 聚精會神的思考旅程中,精疲力竭,不知不覺睡著了,還做了一個夢。在夢中,久思不解的表格突然清晰出現。他從夢中驚醒,立刻拿起筆把剛才夢見的週期表寫下來,這時寫下的週期表與日後修定好的版本相去不遠。

Mendeleev 並不是第一個以原子量(atomic mass)來排列元素的人,也不是第一個按元素特性來分類的人,在他以前,至少已有 3 名化學家嘗試過以上方法,但總是不得其門。這道門,也可說是窗或「空窗」,更精確的是「空格」。英國化學家 John Newlands 在 Mendeleeve 發表週期表的 4 年前,便已經按元素化學特性和原子量,把它們分成 7 種類別(當時還未發現「貴族氣體」,因而只有 7 種),但 Newlands 卻欠缺了「空格」。

Mendeleev 的週期表除了包含了當時已發現的 63 個元素以外,還預了 4 個空格,因為他相當肯定按規律,那些空格必然有相應元素存在。可是 Newlands 未能想到這一點,因而為了讓元素符合規律,使某些格內可同時出現兩個元素。結果當時的化學學會拒絕出版他的論文,就差了數塊「空缺的拼圖」。1871 年,Mendeleev 修正了更完善的版本,並預言更多的新元素。1886 年才發現的鎵(Galium),首次印證了 Mendeleev 所稱的「eka-aluminium」(因它排列在鋁之後),讓他的週期表更享負盛名。

Mendeleev 的紀念郵票,背景是 Mendeleev 其中一張原筆記,日期標示著 1869 年 2 月 17 日。 圖片來源:英國皇家化學學會
Mendeleev 的紀念郵票,背景是 Mendeleev 其中一張原筆記,日期標示著 1869 年 2 月 17 日。 圖片來源:英國皇家化學學會

直至 1913 年,即 Mendeleev 死後 6 年,週期表最終模樣終於定下來。原先週期表是按原子量大小排列,差不多等於原子數的排序,但還有數個例外,例如 Mendeleev 需要按化學特性將碘(Iodine)和碲(Tellurium)對調。最終英國物理學家 Henry Moseley 解開了謎題,他在 X 光光譜實驗中發現量度核電荷的方法,實驗結果完全符合原子序數(atomic number),即後來的質子數(proton number)。

雖然 Mendeleev 奠定了化學元素週期表的基礎,並且在 1906 年獲提名諾貝爾化學獎,卻與其緣慳一面。其時 1903 年化學獎得主 Svante August Arrhenius 極力反對授予 Mendeleev,理據是該發現相當古舊,雖然 Arrhenius 並不在委員會之內,卻對其極具影響力。據挪威奧斯陸大學歷史學教授 Robert Marc Friedman 考證,Arrhenius 是因為對 Mendeleev 曾批評他後來得獎的電解質理論,而對他懷恨在心,才發動杯葛。Mendeleev 翌年死於心肌梗塞,終失去獲獎機會。後來原子序數 101 號元素才以 Mendelevium(鍆)命名,以紀念他發明的週期表。

在夢中產生的科學發現還有著名的「苯環」(Benzene Ring)結構,化學家 Friedrich August Kekulé 表示夢到一條蛇咬住了自己的尾巴,才啟發出六個碳分子環型連結的苯環。日有所思,夜有所夢,在夢中仍放不開科學難題,不足為奇。正如假若日思夜想渴望做特首,也許聽到一把聲音鼓勵自己勇於參選,亦不足為奇。然而,若要成功,便不能離地空想做夢,每項科學發現都是渴求真理者的智慧結晶。