元素周期表为什么有「周期」？ 第1页

让我们仔细看看这张表，从上到下分为七行，我们称为七个周期。第一个周期只有氢和氦两个元素。

第二、三个周期各有八个元素，它们所在的八列被称为“主族元素”，“主族元素”的周期性体现的最为明显。比如戴维发现的钾钠兄弟和本生、基尔霍夫发现的铷铯兄弟非常相似，类似的还有戴维发现的镁、钙、锶、钡碱土族元素，贝采尼乌斯整理出的卤素四元素——氟、氯、溴、碘。门捷列夫等人正是从这些主族元素的周期性找到思路，提出了元素周期表。

【玩纸牌的化学家：门捷列夫。】

第一列IA族有氢、锂、钠、钾、铷、铯、钫，除了氢元素以外，它们都是碱金属，化学性质活泼，为最典型的金属，它们在化合物中总是体现出+1价。

第二列IIA族里的铍、镁、钙、锶、钡、镭都是碱土族元素，它们也有比较强的反应活性，但跟碱金属相比还是甘拜下风，它们在化合物中总是体现出+2价。

第三列IIIA族叫硼族元素，里面有硼、铝、镓、铟、铊、钅尔这几种元素，硼是一种非金属，从铝开始往下都体现为金属，它们大多数体现出3价。

第四列IVA族是碳族元素，有碳、硅、锗、锡、铅、钅夫，碳和硅是非金属，锗以后金属性增强，它们都有4个价电子。

第五列VA族是氮族元素，有氮、磷、砷、锑、铋、钅莫，他们的原子最外层都有5个电子，最高可以体现出+5价。

第六组VIA族是氧族元素，有氧、硫、硒、碲、钋、钅立，除了钋和人造元素钅立以外，都是非金属，它们大多体现出-2价。

第七族VIIA族是卤族元素，有氟、氯、溴、碘、砹，加上不知是金属还是非金属的石田。它们喜爱夺取别人的电子，单质都是强氧化剂。

第八族VIIIA族是惰性气体，有氦、氖、氩、氪、氙、氡、奥气。它们几乎没有反应活性，至今为止还没发现常温常压下稳定存在的氦、氖的化合物。

【主族元素的周期性最为明显。】

从第四个周期开始，中间加入了一大排过渡元素，也被称为“副族元素”，我们熟悉的金银铜铁都在这里面。“副族元素”的周期性没有“主族元素”那么明显，但也可见一斑。比如：

钪、钛、钒、铬、锰分别体现出3,4,5,6,7价。

铜、银、金都可以体现出+1价，化学性质都不活泼，且逐渐递增，这哥仨也都是导电排行榜前几名。

钪、钇和镧系元素经常混杂在一起，难以分离，被称为稀土元素。

铁钴镍三元素都有铁磁性，它们位于“VIII副族”。

同为“VIII副族”的钌、铑、钯、锇、铱、铂都是化学性质稳定的“铂系元素”。

铪经常和锆混杂在一起，直到玻尔时代才被玻尔的智慧把它发掘出来。

钽和铌也经常混杂在一起，还记得“钶”吗？

【所有过渡元素。】

【五颜六色的过渡元素的盐溶液，从左到右：硝酸钴，重铬酸钾，铬酸钾，氯化镍，硫酸铜，高锰酸钾。】

而到了第六周期，竟然冒出一个“镧系元素”系列，和第七周期的“锕系元素”一样。为何要将他们独立于元素周期表的整体之外，在下面搞出一个小岛专门放置这些元素？相信大多数第一次看到元素周期表的人都会有此一问。

其实，镧系和锕系元素绝非元素周期表的编外人员，也可以把镧系元素和锕系元素展开放进表内，但这样的话表格就“扁”了，如下图。大多数时候，为了图表的美观，只能让这两系元素牺牲一下位置咯。

【将镧系元素和锕系元素展开后的元素周期表。】

好了，我们已经将元素周期表的全貌浏览了一边，那么，这张表格背后究竟隐藏着什么奥秘呢？

要完整的解答这个问题，还得从本生、基尔霍夫发现的元素身份证——光谱说起，我们已经知道了各种各样的光谱是每种元素特有的身份证，但它们的编码规则是什么呢？比如我们手头熟悉的18位身份证，前6位是城市的代码，中间8位是出生年月日，接下来3位是数字顺序码，最后1位是数字校验码。看了一个人的身份证，我们可以很快知道他（她）的生日，多大年纪，甚至可以查出他（她）的出生地。但面对一张元素的光谱，除了看到五颜六色的纷乱光条，我们还能得到哪些神秘的信息呢？

【这张身份证信息量很大。】

谁能想到，第一个摸到元素身份证规律的竟然是一个中学数学老师，他的名字叫巴尔末。

话说巴尔末老师24岁就获得巴塞尔大学数学博士学位，之后在一所女校教书，一直到60岁也没有什么重大成就。可就在他60岁的一天，他却将视线落在了氢元素的光谱线，迟迟不忍离开，简直是出了神。

氢是最简单的元素，它在可见光区有四条明亮的谱线，波长分别位于：656.2nm（红色），486nm（水绿色），434nm（蓝色）和410.1nm（紫 色）。你看出什么规律来了吗？

如果还是大眼瞪小眼那就正常了，因为从基尔霍夫到60岁的巴尔末老师也过了20多年了，看过氢原子光谱的物理学家化学家也不在少数，但就没有一个人去找出这些谱线之间的数学关系。

【氢原子光谱400nm-760nm，最左侧还有一条紫线，要瞪大了眼睛才能看到。】

巴尔末老师不一样，他对各种数字之间的加和、比例等关系尤为敏感。他迅速发现这几条谱线的波长正好是364.56nm的9/5，4/3，25/21，9/8倍。你是不是再次大眼瞪小眼了，这几个分数之间有什么关系吗？

你看你，对数字太不敏感了吧，巴尔末老师开始敲黑板了，只见他大笔一挥，这几个莫名其妙的分数就变成了如下形式：

3^2/（3^2-2^2），4^2/（4^2-2^2），5^2/（5^2-2^2），6^2/（6^2-2^2）

通项是m^2/（m^2-2^2）！这就是巴尔末公式，氢元素光谱里可见光区域的几条谱线也因此被称为巴尔末线系。

【数学老师巴尔末。】

这个巴尔末公式究竟是数字游戏，还是和门捷列夫玩纸牌玩出的元素周期律一样，是有强力证据支撑的科学理论呢？

科学不科学，预言说了算。

把m=7代入巴尔末公式，得到397nm，看看在那里有没有谱线就是了。一般人可见光的区域在400-760nm，但好在还有少数人能看到380nm以上的紫色光，根据巴尔末公式的指引，终于有人找到了397nm这里极弱的一条紫线。巴尔末公式完全令人信服了！

【氢原子的吸收光谱，最左边那条黑线就对应于397nm处的紫线。】

后来又有人在氢元素光谱的紫外线区域找到了莱曼线系，在红外区域找到了帕邢线系、布拉格线系等等。它们也都各有规律，里德伯将它们汇总一下，得到了里德伯公式：

其中，RH为里德伯常数，n2>n1

原来，巴尔末公式只是里德伯公式n1=2时的特殊情况。

【物理学家，瑞典人里德伯。】

完了吗？显然没有，好戏才刚刚开始呢。

化学家也好，物理学家也好，都不会满足于光玩数字游戏，他们一定得找到满意的物理图像。

我们提到过1910年著名的卢瑟福金箔实验，让人们认识到，原子好像一个微型星系，有一个极其微小却极为致密的原子核位于正中央，电子在外围“广阔”的空间绕核运转。这被称为“行星模型”。

问题很快来了，电子绕核旋转是一种加速运动，会产生电磁辐射，原子根本不可能稳定存在。卢瑟福没法解决这个问题，他的模型最初没有得到认可。但不要忘了，卢瑟福可不是一个人在战斗，他号称诺奖幼儿园园长，麾下战将如云，其中最有名气的就是丹麦人玻尔。

【1910年，玻尔的订婚照。】

1912年的玻尔新婚燕尔，正是春风得意的时候。夫妇恩爱之余，他开始尝试引入普朗克的量子概念解决卢瑟福行星模型的问题，但是进展不大。时间到了1913年初春，玻尔的一位同事来访，他们聊天的时候提起了巴尔末公式，玻尔顿时受到启发，玻尔模型诞生了！正如多年以后他的回忆：“在我看到巴耳末公式的那一瞬间，突然一切都清楚了。”

根据玻尔之前的想法，原子中的电子处于一系列稳定的轨道上绕原子核做圆周运动，每一个轨道叫做定态，当电子跳台阶从一个轨道跃迁到另一个轨道时，原子就发射或吸收能量，这个设想但毕竟缺乏数据的支撑。

然而我们知道电子和原子核之间的电磁力服从平方反比定律，回到里德伯公式，再看看“1/n^2-1/m^2”，想到了什么？这不就是电子跳台阶时的能量变化吗？

【玻尔原子模型。】

玻尔一阵演算，得到了各定态的公式：

就这样，我们得到了第一个量子数：主量子数n，它是自然数，就是每个定态的序号，n=1就是能量最低的基态，电子靠原子核最近，而当n越来越大，电子的能量更高，离原子核也越远。这些层次常用K、L、M、N……来表示。

不同层次的电子之间互相跃迁，就吸收或辐射出光子，比如，从n=2或更高层次的电子轨道“坠落”到基态，就形成了紫外区域的莱曼线系，从更高层次的电子轨道“坠落”到n=2，就是我们熟悉的可见光区与的巴尔末线系。这样，对里德伯公式是不是理解更深刻了？

【从其他能级跃迁到基态释放出的光子形成莱曼线系（左，Lyman series），位于紫外线区间。从更高能级跃迁到n=2能级，释放出的光子形成了巴尔末线系（中，Balmer series），位于可见光区域。从更高能级跃迁到n=3能级，释放出的光子形成了帕邢线系 （右，Paschen series），位于红外区域。】

玻尔模型在解释最简单元素——氢——的问题上取得了巨大的成功，不完美的地方也非常多。比如，按照玻尔的设定：电子绕核运转，即使电磁辐射问题先放到一边，角动量肯定要有吧，然后实际的情况却是：基态的电子没有角动量。科学家们顿时懵逼了，难道这电子像个单摆一样，不停的从两边穿越原子核、来回做直线运动吗？

因此索末菲提出了角量子数l的概念，原来，微观的角动量也是量子化的，它可以为包括0在内的任意自然数，但是l<n。

l=0，我们称为s轨道，它的角动量为0。

l=1，我们称为p轨道，它的角动量为1。

l=2，d轨道，它的角动量为2。

l=3，f轨道，它的角动量为3。

传说还会有l=4的g轨道，后面我们再提，

【从上到下，从左到右，1s轨道，2s轨道，2p轨道，3s轨道，3p轨道，3d轨道的模样。】

再比如，玻尔模型还解释不了塞曼效应，这是1896年由荷兰物理学家塞曼发现的一种磁光效应，他将钠的焰色反应置于强烈的磁场中，发现钠元素那著名的双黄线出现了加粗现象，实际上是谱线的分裂。塞曼的老师洛伦兹认为这是因为电子存在轨道磁矩，之后他和塞曼因为这一发现共同获得了1902年诺贝尔物理学奖。

【用汞蒸汽灯发出的546nm绿光显示出反常塞曼效应。A，无磁场；B，有磁场，谱线横向分裂；C，有磁场，谱线纵向分裂。】

电子有了角动量自然就会有磁矩，因此又提出来了磁量子数ml的概念，他用来衡量电子角动量在空间的不同取向。ml的取值为从-l到l的所有自然数。

例如：

l=0，ml只有1个取值：0，s轨道没有角动量，因此角动量方向没有意义。

l=1，ml有3个取值：-1，0，1，意为p轨道有3个方向。

l=2，ml有5个取值：-2，-1，0，1，2，意为d轨道有5个方向。

l=3，ml有7个取值：-3，-2，-1，0，1，2，3，意为f轨道有7个方向。

【磁量子数决定了s、p、d、f轨道各有几个方向。】

磁量子数还不能完全解释塞曼效应，还记得我们在《为什么是铁》里面提到泡利说自旋超光速的故事吗？电子除了绕核旋转，自身还在“自转”，称为自旋，这种自旋绝非如同地球绕轴自转，而是一种内秉的属性。

由于电子往不同的方向旋转，激发出不同的磁场，我们一般说有正反两种自旋，因此也定义出一种自旋量子数ms，有±1/2两种。

【电子向不同方向旋转，激发的磁场方向正好相反。】

小结一下：

主量子数n决定了电子的壳层；

角量子数l量度了电子的角动量；

磁量子数ml决定了电子轨道在空间的取向。

自旋量子数ms是电子的内禀属性，只有两个取向。

而泡利大神在自旋的问题上清醒过来之后，也顿感如虎添翼了，1925年，他提出：“原子中任何两个电子具有整组完全相同的量子数的量子状态，是不可能存在的。”这就是泡利不相容原理。

上面这段话是直接翻译过来的，有点拗口，再往下里说开了就是元素周期表终于有解了！终于有办法可以解释这一百多种元素是如何排队的了。

【这就是泡利不相容原理，你看懂了吗？两个自旋相同的“泡利”电子不能占据同一个位置，两个自旋相反的“泡利”电子在同一个位置可以共存。】

让我们一个个来看：

元素周期表上第一周期只有氢和氦两枚元素，因为n=1，则l=0，ml=0，这就是K层的1s轨道，可以填充自旋相反的两个电子，不信你看：

氢：1s1，代表氢元素的基态上1s轨道上有1个电子。

氦：1s2，氦元素的基态上1s轨道上有2个电子，它俩自旋相反，符合泡利不相容原理。

【氦原子的电子云分布。】

而到了第二周期（L层），K层已满，电子继续往L层填充，n=2，则l=0或1，

当l=0，ml=0，这是2s轨道，可以填充两个电子，2s1就是锂，2s2就是铍。

而当l=1，ml可以等于-1，0，1，也就是说2p有3个轨道，每个轨道上都可以容纳两个自旋相反的电子，总共可以容纳6个电子。我们来排一排：硼2s2,2p1、碳2s2,2p2、氮2s2,2p3、氧2s2,2p4、氟2s2,2p5、氖2s2,2p6。

所以，元素周期表上第二周期，总共有2+6=8个元素。

【莫瓦桑发现的氟是夺取电子性能最强元素。】

当L层的s轨道和p轨道都填满后，我们就要进入第三周期。

我们知道，当n=3时，则l=0或1或2，对应着3s轨道，3p轨道和3d轨道，然而3d轨道的能量竟然比4s轨道还大，按照能量最低原理，应该先填充4s轨道，所以第三周期暂时用不到3d轨道，还是8个元素，从钠到氩。

【第二周期的碳VS第三周期的硅，未来我们会见证宇宙级的碳硅大战吗？】

从第四周期开始，电子开始向N层填充，由于多了3d轨道，出现了副族元素。前面说过，3d轨道有5个方向，可以容纳自旋相反的10个电子，你看看从21号元素钪到30号元素锌是不是10个元素？

【第四周期里的铁钴镍都具有铁磁性。】

与第三周期的情况类似，4f轨道也大于6s轨道，所以O层仍是18个电子，第五周期和第四周期一样，仍然是18个元素。

【第五周期里最常见的珍贵元素当属银了。】

而第六周期开始，不仅需要填充5d轨道，还有4f轨道，这就是镧系元素的由来。前面提到f轨道有7个方向，因此可以填充14个电子，你看看除去镧元素，从铈元素开始到最后的镥元素，是不是14个？

【图中橙色的稀土元素。】

和第六周期的镧系元素类似，第七周期也有锕系元素，同样的，锕系元素也有15个元素，锕之后的14个都填充了5f电子。

化学家们相信，如果有第八周期，将会有一个角量子数为4的g轨道，那元素周期表上就会出现一个超锕系，这可不是升级版的填充6f电子的类锕系，而是卡在f区中的g区，如下图。

【化学家们设想的包括第八周期的元素周期表，其中144-157号元素属于升级版的类锕系，而在这之前还有一个包括122-143号元素的g区，也称超锕系元素。】

总之，我们可以理解，决定元素的原子序数是原子核内的质子数，它也等于原子核外的电子数，每一枚元素排在元素周期表上的不同位置是因为核外电子的排布。

这里有个段子，物理学家看到元素周期表总是很奇怪，这不就是1s1，1s2，2s1，2s2，2s22p1……吗？为什么你们非要叫氢氦锂铍硼……？

【从布丁模型，到卢瑟福行星模型，到玻尔模型，再到现代的电子云模型。对原子内部结构越来越清晰，越来越认识到化学的本质是物理。】

最后还得提一下，在众多科学家的传切配合之后，1926年薛定谔大神一锤定音，薛定谔方程横空出世，量子力学的新时代来临了，玻尔模型只能被丢入“旧量子力学”的图书馆里。普朗克表示当他看到薛定谔方程时“就像一个被谜题困惑多时、渴望知道答案的孩童，终于听到了解答！”

薛定谔方程一出，原子内部纷繁杂乱的电子云终于可以明确清晰的量化，三个量子数n，l，ml都是薛定谔方程的解，只要知道了这三个量子数，就可以计算出原子内电子云的概率分布。有了可计算的结果，对元素周期表的解释自然更加牢固了。你看看，对元素周期表的研究竟然将量子力学提升了一个时代，人类对自然的认知又上了一个新的台阶。

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