八探“元素立體周期律”

1、 八探“元素立體周期律” 李 中 圣1 劉長海2(黃河科技學院，河南 鄭州 450015)摘 要：本文說明“元素立體周期律”與當今世界上出現的三種“三維周期表”的不同和特點。關鍵詞：點、線、面、體 ；一維、二維、三維；中子數、質子數、中質和、中質差；元素平面周期律；元素立體周期律。中圖分類號：O612 , 文獻標示碼：A ，文章編號：一、 元素周期律的“點、線、面、體”發(fā)展史自有人類以來，每時每刻人們都離不開對“元素”的研究，對“元素”的研究伴隨人們的終生。在18世紀末之前人們對元素都是單個、單個“點”型的認識和研究的，是無可置疑的事實。19世紀上半葉對元素周期律的探索是線性“一維”的，也是無

2、可置疑的事實。19世紀下半葉到20世紀上半葉對元素周期律的探索是平面“二維”的，這更是無可置疑的事實。20世紀下半葉對元素周期律的探索是立體“三維”的。這就是元素周期律的“點、線、面、體”發(fā)展史。元素周期律研究內容的演變： “點”型單個元素（18世紀末之前，發(fā)現了33種元素：金、銀、銅、鐵、鈷；錫、鉛、銻、鉍、鎢；錳、鎳、鉑、鋅、汞；砷、碳、硫、磷、鉬等）元素線性周期律（19世紀上半葉，發(fā)現了“三素組”、“螺旋圖”、“六元素表”、“八音律”等）元素周期律 元素平面周期律（19世紀下半葉，創(chuàng)立了門捷列耶夫元素周期表、核素圖、核素分類等, 按“相對原子質量”排列，實質上是按“中質和”排列） 同位素

3、周期律（20世紀下半葉，引入“中子差”） 元素立體周期律核素周期律 （21世紀，引入“中心元素說”）二、 20世紀下半葉世界上出現的四種“三維周期表”目前世界上對“三維周期表”研究的國家，已有蔡善鈺教授列舉的加拿大、中國和劉長海研究員列舉的美國、日本四個國家。在加拿大，1990年蒙特利爾Ahuntsic學院（奧渾特西克學院）的化學教授Fernando.Dufour（弗南多·杜福）創(chuàng)立了“三維的周期表”。他從1945年開始制作了多種立體模型，且不斷地加以完善（如圖1），這種三維周期表不同于普通二維周期表的表示形式。他把第一至第三短周期和以后的第四至第七長周期分別安置在不同的層面上，表示

4、出了周期律的基本對稱性（見蔡善鈺.教授的人造元素M，上?？茖W普及出版社,2006年2月）。1、黃河科技學院工學院 教授2、黃河科技學院科研處 研究員 圖1 加拿大蒙特利爾學院的化學教授弗南多·杜福創(chuàng)立了“三維周期表”圖2 美國南卡羅萊那州高等學校的“亞歷山大元素的排列”在美國，南卡羅萊那州高等學?？萍颊褂[設計師Roy Alexander (若依·亞歷山大)設計了“三維教具”的“亞歷山大的元素排列”（如圖2）。這種“亞歷山大的元素排列”像一座連體三棟大樓，也是把第一至第三短周期和以后的第四至第七長周期，還有鑭、錒兩系分別安置在不同的大樓上，表示出了周期律的層次比鄰和基本對稱性

5、。在日本，京都大學專攻超導性的物理學者Yoshiteru Maeno（前野悅輝）教授發(fā)明了像個“筆筒式”的“圈簧式元素表”（如圖3）。這種“圈簧式元素表”像個帶一裝飾品的“筆筒”，他是把“平面周期表”卷成圓筒，然后將第四至第七長周期拉成圓環(huán)，將鑭、錒兩系拉出在同一個圓心的一個偏心筒柱上。7圖3 日本京都大學專攻超導性的物理學者Yoshiteru Maeno（前野悅輝）教授發(fā)明的像個“筆筒式”的“圈簧式元素表”在中國，李中圣教授構建了“元素立體周期律”（如圖4）。蔡善鈺教授在他著的人造元素第22頁上說“自20世紀70年代開始對門捷列耶夫周期律進行了長期研究，認為元素“平面周期表”有其局限性，最大

6、的缺點是各元素的同位素集中放在同一格中，沒有單獨安放同位素的位置。在原來二維周期表有橫列（X軸）和縱列（Y軸）基礎上，增加了一個豎列（Z軸）。Z軸豎列按“中質差”N-P（中子數和質子數之差）自上而下，遞增順序排列。原“二維元素表”中的相對原子質量在同位素中由“中質和”N+P替代（中子數和質子數之和）?！保ㄒ姴躺柒曋嗽煸豈22頁，上?？茖W普及出版社,2006年）。圖4 中國的李中圣教授構建的“元素立體周期律”示意圖三、20世紀下半葉至今對元素周期律的探索是“三維”的論斷筆者搜集世界各國的“元素周期表”有87幅，其中如上4幅屬于“三維”范疇，其他80多幅仍是屬于“平面周期表”或者是屬于“平面周

7、期表”的變形。有的只是色彩不同，從不同的角度以色彩說明“平面周期表”的元素分類。以上介紹的加拿大、美國、日本、中國的4種“三維周期表”，最早的是加拿大蒙特利爾學院的化學教授弗南多·杜福創(chuàng)立的“三維周期表”，是在1945年，其不斷完善也是在20世紀下半葉。其次中國李中圣教授的“元素立體周期律”也是在20世紀60年代和70年代開始提出和研究的。美國“亞歷山大元素的排列”和日本Yoshiteru Maeno（前野悅輝）教授發(fā)明的“圈簧式元素表”，也都是在20世紀末或21世紀初出現的。相信也有可能出現其他“三維周期表”或模型，所以20世紀下半葉至今對元素周期律的探索是“三維”的論斷是有根據的

8、。其主要原因像蔡善鈺教授的在人造元素中所說“認為元素平面周期表有其局限性，最大的缺點是各元素的同位素集中放在同一格中，沒有單獨安放同位素的位置?！薄捌矫嬷芷诒怼备緹o法涵蓋數千個“同位元素”（簡稱同位素）。只有擴建周期表的“住宅區(qū)”，才可包羅、容納已發(fā)現或待發(fā)現和未發(fā)現的所有同位素。四、“元素立體周期律”與當今世界上出現的三種“三維周期表”的不同“元素立體周期律”與加拿大蒙特利爾學院的化學教授弗南多·杜福創(chuàng)立的“三維周期表”，美國“亞歷山大元素的排列”和日本Yoshiteru Maeno（前野悅輝）教授發(fā)明的“圈簧式元素表”，其共同點都是“三維”立體的。但是還有幾點區(qū)別：在“元素平面

9、周期律”基礎上增加新導出參數“中質差”?！霸亓Ⅲw周期律”是按“中質和”和“中質差”排列“同位元素的”，以往都是將“同位素”雜亂無章地堆放在“平面周期表”中。這和1869年門捷列耶夫發(fā)現“周期律”之前一樣，元素也是雜亂無序的，是“元素平面周期律”將其歸類。同樣“元素立體周期律”對“同位素”進行歸類?！霸亓Ⅲw周期律”著重同位素的三個使用參數。在單個、單個元素的“點”型研究時代，元素的參數也較多，有固體、液體、氣體；有黑色、白色、有色；有無味、異味、怪味；參數是雜亂無章的，也就是沒有參數。 “元素線性周期律”出現之后，元素的參數基本上是按相對原子質量順序排列的，所以“元素線性周期律”的使用參數只

10、有一個“相對原子質量”。 “元素平面周期律” 發(fā)現之后，元素的基本和使用參數有“原子序數”和“相對原子質量”兩個參數。現在是構建“元素立體周期律”，元素的原子序數是原子核的質子數，是保持不變的，因此“原子序數”仍是元素的基本參數之一。但是“元素立體周期律”中元素的相對原子質量沒有了，取而代之的是“同位素相對原子質量”，因此將“同位素相對原子質量”用“中子數與質子數之和”（簡稱“中質和”）替代。這里還要說明兩點：元素的“天然豐度”要更名為“地球豐度”。因為豐度是指某種同位素在地球上占有該元素的百分比。同位素（包括穩(wěn)定和放射元素）在地球上占元素的比例，叫地球豐度，或太陽系豐度。不能叫銀河系豐度，也

11、不可叫宇宙豐度，更不能叫天然豐度。而相對原子質量是“穩(wěn)定同位元素”原子的相對質量數，是該元素的同位素結合地球豐度，在地球上質量的平均值。所以要用“中質和”替代“相對原子質量”。在其他星球和星際中，同位素的豐度是個變量，因此元素的“相對原子質量”是個變量，相對原子質量是由“中質和”結合“地球豐度”派生出來的。而“中質和”是不變的。因此“中質和”是同位素使用參數之二?！爸匈|差”是同位素的第三個使用參數。所以“元素立體周期律”的三個參數是：原子序數（基本參數），中質和（導出參數）與中質差（導出參數）。其他參數也可從此三個使用參數推出。如中子數是“原子序數+中質差” 或“中質和原子序數”。“元素立體周

12、期律”理論還包括“中心同位素說”以及“中心同位素”是衰變類型的轉折點理論。解決了“豐中子”和“缺中子”、“遠離核”等含混不清的概念（“元素立體周期律”理論還包括“半衰頻”、“氕氘惰結團理論”等內容）。五、“元素立體周期律”的特點從加拿大蒙特利爾學院的化學教弗南多·杜福創(chuàng)立的“三維周期表”，美國“亞歷山大元素的排列”和日本Yoshiteru Maeno（前野悅輝）教授發(fā)明的“圈簧式元素表”三個“三維周期表”中，不難看出，可以從0類和I類兩行元素之間分割開來，這樣又回到了“平面周期表”。同樣將“平面周期表”卷起來，將0類和I類兩行元素對接起來，加以整理就成為“三維周期表”。另外，此三種“

13、三維周期表”，還沒有明確地將同位素安放在各自的位置?！霸亓Ⅲw周期律”具有如下特點：“元素立體周期律”按“中心同位素說”，將“中心同位素”作為元素的“全權代表”列出了“元素立體周期律”。這樣一來，所有的同位素，包括已發(fā)現、待發(fā)現以及未發(fā)現的同位素，都有其歸宿?！芭排抛?，吃果果”，各就各位（尚未發(fā)現的同位素也留有空位）?！霸亓Ⅲw周期律”像個“螺旋塔式核素周期模型”，是按原子序數排列，螺周長是“中質和”，螺距是電子殼層數，螺半徑是“中質差”。如果將“螺旋塔式核素周期模型”從0類和I類兩行元素之間分割開來，也不是“平面的”，而是“曲面的”。這樣一來，有些“牽強附會”，豈不成了“曲面周期表”，因為還

14、要表現出“中質差”參數。六、致謝我國原子能科學研究院研究員蔡善鈺教授的大作人造元素新近出版，并贈送于筆者一本。該書屬于當代科學前沿領域專著。得到諾貝爾化學獎獲得者，曾任美國化學學會主席，“錒系”理論奠基人，106號元素钅喜（106Sg）被冠名者G.T.Seaborg(西博格)和我國放射化學先輩蕭倫院士大力支持并允作序，因他們于1999年、2000年先后辭世，序言由西博格的繼任者A.Ghiorso和D.C.Hoffman題作。書中附有西博格、二位序言作者和蔡善鈺教授的合影。由王方定院士、張煥喬院士主審。該書中第22頁、第376頁、第406頁收編、引用、介紹了筆者的論點：“我國李中圣潛心教學之余自

15、20世紀70年代開始對門捷列耶夫周期律進行了長期研究，認為元素“平面周期表”有其局限性，最大缺點是各元素的同位素集中放在同一格位置中，沒有一個單獨安放同位素的位置。因此提出了“元素立體周期表”的設想。”并介紹了：在原來二維周期表有橫列（X軸）和縱列（Y軸）基礎上，增加了一個豎（Z軸）。Z軸豎列按“中質差”N-P（中子數和質子數之差）自上而下，遞增順序排列。原“二維元素表”中的相對原子質量在同位素中由“中質和”N+P替代（中子數和質子數之和）。我由衷地感謝蔡善鈺教授第一次向世人推薦“中質和”和“中質差”的概念。在大作人造元素的參考文獻中列出我的一篇論文；在人名索引中列出我的名字，緊挨諾貝爾獎獲得

16、者李政道其后。使筆者誠惶誠恐，衷心感謝，是莫大的鞭策和鼓勵。參考文獻1 .格林卡.普通化學M. 殷恭寬，張志炳等譯.北京：高等教育出版社，19562 戴能雄等著.亞原子物理學手冊M.北京：科學出版社，19953 加Fernando.Dufour,美William.B.Jenson.三維的周期表J.美國:Science(科學),1998,2月(中文版)4 肖倫主編.放射性同位素技術M.北京：原子能出版社,20005 D.E.Bergeron,P.J.Roach,A.W.CastlemanJr.,N.O.Jones,S.N.Khanna,Science,307,231(2005)6 蔡善鈺. 人造

17、元素M.上?？茖W普及出版社,20067 李中圣. 元素立體周期律初探J.河南科學，2001，19（1）：53558 李中圣. 再探元素立體周期律J.河南科學，2002，20（2）：1471519 李中圣. 三探元素立體周期律(報告)A.河南省化學學會2002年學術年會論文集C(編號G07)10 李中圣. 關于元素立體周期律的探討J.同位素，2002，15（4）：24324611 李中圣. 四探元素立體周期律J.中州大學，2003，20（2）：104、12812 李中圣. 五探元素立體周期律J.科技動態(tài)，2002，（9）：28、2913 李中圣. 六探元素立體周期律J.中州大學，2004，21（

18、1）：12512814 李中圣. 七探元素立體周期律J.北京：中國當代思想寶庫，2004，11（8）：69069515 李中圣，劉長海.再論元素周期律的“點、線、面、體”發(fā)展史J.科技動態(tài)，2006，（8）：14、15.Investigate the " Stereoscopic Periodic law in chemical elements" for the eighth timeLI Zhong-sheng1，Liu Chang-hai2(Huanghe Science & Technology Institute，Zhengzhou Henan 450015)Abstract: This article discuss the elucidation and characteristics of the " Stereoscopic periodic law in chemical eleme