西博格说,照第一组推算,第二组稀土元素应该是14种,但在103号元素之后,可能还有10种过渡元素。这样第7周期就是以惰性气体元素118号结束的。除此之外,西博格还预言会有一个新的周期,和其他周期一样,这个新的周期将从碱金属元素119号开始。
好像元素周期表可以包括除铀以外的更多新元素,这些元素可能是人造的,不存在于自然界。超铀元素有没有什么限制现在还不是很清楚:也许这种元素的原子太大了,很难结合。但是周期律是基本原理,元素周期表可以无限延伸。
开始的时候,门捷列夫把元素周期表看成一个组织和预测元素性质的工具,同时他也感觉到元素周期表也体现出了基本定理。他有时也对“化学原子的隐形世界”感到好奇。显然,元素周期表是可以从两个方面来看的:外在的是元素的显性性质,内在的则决定尚未被探索到的原子的性质;元素的外在性质正取决于这些内在性质。
在博物馆中与其初遇并长时间沉迷其中之后,我就相信元素周期表既不抽象也不肤浅,而是事实的表征,这一事实永远都不会被颠覆,
相反,它将会被不断地证明,随着新知识的发展也会展现出不同的深度,因为它本身就像自然一样深奥又简单。这种认识让我狂喜,那时我才12岁,用爱因斯坦的话来说,我觉得“神秘面纱的一角已经被揭开了”。
几年后,当我读到查尔斯·珀西·斯诺的文章,发现他第一次看到元素周期表时的反应和我非常相似。他写道:“我第一次看到凌乱的事变得有条有理。孩提时代杂乱无章的无机化学在我的眼前找到了自己的位置--这感觉就好像一个人站在丛林旁,突然之间,丛林一下子变成了花园。”
门捷列夫在《化学原理》自序的第一条脚注里谈到了“科学世界里的生活是多么的令人满足、自由和快乐”。并且大家从字里行间都可以发现,这对他来说是多么真实。在门捷列夫的有生之年,《化学原理》就像一个有生命的动物一样在慢慢成长;《化学原理》的每一个版本都在不断地扩大,每一版本都更全面,并且都比其前人的研究要成熟。这本书中的脚注很多,在最后一个版本中,脚注的页数比正文的页数还要多。事实上,有的版本中脚注占了整个版面的十分之九。我认为我对脚注的喜爱,很大部分是因为阅读了《化学原理》。
门捷列夫不是知道原子量意义的第一人。当贝采利乌斯发现碱土族金属的原子量时,德国化学家德比莱纳发现锶的原子量刚好介于钙和钡的原子量之间且是它们原子量的平均,他感到很吃惊。贝采利乌斯在想这是一种巧合还是预示着更重要更本质的东西。贝采利乌斯在1817年发现了硒;并且立即意识到(根据化学属性)它应与硫与碲同类。德比莱纳进一步做实验。那一年年末贝采利乌斯在厨房实验室发现锂的时候,德比莱纳发现了碱金属的另外一种三元组:锂、钠和钾。他还意识到氯和碘之间原子量的差距太大,因此它们之间一定有一种类似的元素(就像戴维想的那样),原子量介于它们之间。几年以后果然发现了溴元素。对于德比莱纳的三元组,其他科学家反应复杂,贝采利乌斯和戴维就对这种数字关系表示怀疑,但是也有人想知道德比莱纳的数字中是不是隐藏着一个难解的但是重大的奥秘。
这是人尽皆知的科学神话故事,并且这一事实后来由门捷列夫本人公布,这与凯库勒在多年以后描述其发现苯环的经过有几分相似。这一切都源于他的梦境。他梦到蛇咬住了自己的尾巴。但是如果人们看过门捷列夫绘制的表格,就能看到整个表格布满调换符号、交叉线,空白处写满计算。如此多的图解,可以表明门捷列夫如何苦思冥想。即使在睡梦中,门捷列夫仍然在寻找问题的答案。但是更有意思的是,门捷列夫居然从梦中受到了启发,几个小时之后,他就把困扰他好多年的问题解决了。
门捷列夫在1889年写的一个注解(他的演讲稿也有注解,至少打印版本的讲稿是有注解的)中提到:“我预见了一些新元素,但是预见的时候,我不再像以前那么自信了。”门捷列夫意识到了铋(原子量是209)与钍之间的不同(原子量是232),他认为铋与钍之间肯定还有另外几种元素。门捷列夫几乎可以确认铋后面的元素:“一种类似于碲的元素,可能我们可以将它称做‘类碲’”。钋这种元素是居里夫妇于1898年发现的,当他们把钋分离出来的时候,发现它所有的属性都与门捷列夫预测的差不多。1899年门捷列夫去巴黎拜访了居里夫妇。他很乐于将镭视为“类钡”。在《化学原理》的最后一个版本中,门捷列夫再次作出了很多的预测,包括锰族的两种较重的元素:一种是类锰,它的原子量是99;一种是三价锰,它的原子量是188。但遗憾的是,门捷列夫从未看到过这两种元素。直到1925年的时候才有人发现三价锰就是铼,这是人类发现的最后的自然元素。1937年,人们第一次用人工的方法制造出新的元素--类锰。
利用类推的方法,门捷列夫还假设铀之后还有几种元素。卡尔斯鲁厄会议后,人们几乎同时发现了六种这样的分类,那时这一事件引起了极大关注。提出这六种分类的科学家分别属于不同的国家。贝古耶·德·尚库尔托伊斯在法国,奥德林和纽兰兹都在英国,迈耶尔在德国,辛里斯在美国,门捷列夫在俄罗斯。但不可否认的是,所有这一切都与门捷列夫的元素周期表有关。贝古耶·德·尚库尔托伊斯是法国的一名矿物学家,他是发现这种分类的第一人。1862年(卡尔斯鲁厄会议18个月后,他将24种元素按原子量大小,以螺旋方式排列在圆筒上,这样属性相似的元素就在同一排。碲位于螺旋状的正中间。因此,贝古耶·德·尚库尔托伊斯把此图叫做“碲螺旋图”。但是当文章发表的时候,出版商竟然漏印了这一关键的插图,导致人们忽略了贝古耶·德·尚库尔托伊斯的观点。英国的纽兰兹就更不幸了。他也是通过原子量的大小来排列已知元素的,并且他还发现每隔7个元素总有一个规律。纽兰兹提出了“八阶律”,他说:“第八种元素与第一种元素类似,这与音乐的八度很像。”(假如当时惰性气体已经现身,那就应该是第九种元素与第一种元素相似。)他说,这种“八阶律”可能是一种“宇宙的音乐”。1865年纽兰兹在化学协会会议上陈述其理论的时候,遭到了众人的强烈讽刺。而实际上纽兰兹的周期律与门捷列夫的周期表已经很接近了。毫无疑问,纽兰兹非常熟悉周期律,他比贝古耶·德·尚库尔托伊斯还要熟悉。与门捷列夫的做法很像,如果元素的原子量与它们在元素周期表中的位置不相符时,纽兰兹也有勇气将这些元素的顺序调换,尽管他不能像门捷列夫那样,对其他未知元素作出合理的预测。迈耶尔也参与了卡尔斯鲁厄会议,并且他还是最早使用修订后的原子量来排列元素的人。1868年,迈耶尔绘出了精确的16栏元素周期表。但是这份元素周期表的出版却被延误了,好像一直到门捷列夫元素周期表出现的时候,这份元素周期表才被出版。迈耶尔特别关注元素的物理属性以及它们与原子量的关系。1870年,他发表了描述已知元素原子量的图表,并以此标示“原子体积”(就是原子量与密度的比值)。这个图表显示出碱金属与第八族元素(铂和铁等)的不同,中间元素的摆放也很有道理。这个图表呈现出明显的周期性,使得门捷列夫的周期表更易为人接受。门捷列夫提出《元素系统建议》时,其实很清楚对手的研究工作。他在自己的名声和地位确立之后,没有忘记给对手支持。1889年,他受邀去英国做有关法拉第的报告时,没有忘记为前人所作的努力表达谢意。
只有卡文迪许在1785年通过点燃空气中的氮和氧,结果出现电火花和二氧化氮。他还观察到有少量的气体(不到整体的20%),不知为何,这种气体不管怎么放电、吸收都无动于衷,极其迟钝。直到19世纪90年代,才有人再次注意到这一点。
我认为有时我是能分辨得出惰性气体的,并且在某些时候,我还能赋予这些惰性气体人性。我认为惰性气体非常孤独,它们也希望与其他的元素结合到一起。让它们与其他的元素结合难道真的不可能吗?卤族中最活跃的元素氟难道也不行吗?它们非常希望能与其他的元素结合,所以一个多世纪以来研究者都在朝着这一方向努力。氟与氙也不能结合吗?氟是惰性气体中最重的元素。我专心研究了元素周期表,发现从理论上来讲,这种结合是可能的。在20世纪60年代早期,当听说美国化学家尼尔·巴特莱特已经成功制造出了这种化合物的时候,我感到欣喜若狂(尽管当时我的脑子里在想其他的事情)。尼尔·巴特莱特制造出的是铂、氟和氙的化合物。此后,氙的氟化物以及氙的氧化物相继问世。弗里曼·戴森曾经给我写过一封信,向我描述了他童年时期对元素周期表以及惰性气体的喜爱,并且他在南肯辛顿的自然科学博物馆的瓶子中看见过惰性气体。多年之后当有人向他展示氙化钡的标本时,当他看到了这些难以琢磨的气体那么牢地凝固在晶体中时,他无比兴奋。他说:“我对于元素周期表也十分狂热。还是个小孩的时候,我就在那张表下站了好几个小时,并且想象着如果每一种这样的金属箔和每一瓶气体都有自己独特的性质,那有多好。我一生中最具有纪念意义的时刻就是看到威拉得·法兰克·利比来到普林斯顿,并且拿出一个装满氙化钡的晶体的那一刻。那是一种看上去很像普通盐的稳定的化合物,但是比普通盐要稍微重一些。这就是化学的魔力所在,能够让人看到氙存在于晶体中。”
随着非金属氢化物的出现,人们发现它们很可怕,简直是最可怕的东西,只要一丁点儿就可致命。砷和锑的氢化物都有毒并且发臭,硅和磷的氢化物很容易燃烧。我在自己的实验室中制作了硫、硒以及碲的氢化物(分别是H2S、H2Se、H2Te)。由此可知,同属第一族的氧的氢化物,可能是非常难闻的、有毒的易燃气体,在–100℃的时候可以冷凝成臭不可闻的液体。然而,氧的氢化物水(H20),稳定、便携、无味、有益并且拥有特殊的属性。这一切都让水与我们的星球以及我们的生活密不可分。这让我相当好奇,为什么水与它的同族那么不同呢?(我发现这个问题直到20世纪30年代的时候才被解决,当看到莱纳斯·卡尔·鲍林对氢键的图形描述时,我才恍然大悟。)
1925年至1926年,一群德国化学家发现第75号元素铼。这其中就有伊达·诺达克。她还声明发现了第43号元素,她将这种元素称为锝。但是她的这一声明并未得到其他人的支持。1934年,恩里科·费米以中子撞击铀原子,他认为发现了第93号元素。伊达·诺达克说他错了,事实上,他只是分离了原子而已。自从她的第43号元素没有得到人们的认可,从此再也没人注意到她。如果有人把她的话当真,德国就会成为世界上最先生产出原子弹的国家,世界历史将会从此不同(格林·西奥多·西博格在1997年11月的会议上讲述了这个故事)。
虽然直到1940年才创造了第93号元素镎和第94号元素钚,但是一直到战后才将它们的存在公之于众。最初发现这两种元素的时候,人们暂定名为“终极元素”,因为他们都相信不可能制造出更重的元素。然而,到1944年又发现了第95号元素和第96号元素锔。奇怪的是,这件事并未采用常见的方式,即发表在《自然》杂志上或者通过化学会议公布,而是在1945年11月,通过收音机中的一个儿童智力竞赛节目公布于众。在这个节目中,一个12岁的男孩问:“西博格先生,最近您又制造出新的元素了吗?”至此我们才知道又有两种新的元素诞生了。