《数理化通俗演义》第四十三回
运筹帷握一副彩牌定乾坤,决胜千里三国学人拜下风
——元素周期律的发现

  前几回说到化学家们为发现新元素真是废寝忘食,绞尽脑汁。他们在元素王国这片陌生的土地上东奔西突,左砍右杀。各人祭起自己的法宝,八仙过海各显神通。那戴维用的是一把电斧,东劈西砍发现了钾、钠等十几种元素;那本生、基尔霍夫用的是一柄光剑,一路刺开去找见了钝和铷;瑞利和拉姆赛则使的一把牛耳尖刀,专爱一层一层地剥竹笋,这就是分馏法,他们终于发现了氦、氛、氩、氪、氙等惰性气体。到此化学家们已将所能使的各种化学、物理方法都已用尽。十九世纪中期,元素也已发现到了第63种,又是山穷水尽再无路了。而且就是已发现的这63种元素也够使化学家们眼花绕乱的。你看:有那硬的、一刀剌下不伤分毫;有那软的,指甲掐去如碰豆腐;有那性格沉稳的,任怎样摆弄也不去与别人结合;有那脾气暴躁的,放在空气中就冒火;更有那一物多变的,如磷,有红,有黄;如碘,有时棕色,有时紫色。就是一块灿烂的黄金,当把它打成极薄的箔片时竟会变成蓝绿,而且还透明呢。现在不要说再去发现新元素了,就是先把这63种分分类,排排队也无从下手。这化学,真是刚从泥滩里拔出来,又在森林里迷了路,不知如何是好。

  话说公元1867年俄国彼得堡大学里来了一位三十三岁的化学教授门提列夫(1834-1907)。此人身材修长,眉清目秀,一看就是那种才华横溢,精力过人的青年学者。只要他一出台讲课,教室门里门外,窗沿上,台阶下都挤满了学生。那奇妙的化学变化伴着他沉稳的手势和多彩的语言,直把听者吸引得就如钉钉死、胶粘住一般。连学校当局也暗自高兴聘了一个好教授。但是这门捷列夫却有两样毛病,一是爱喝酒,二是爱玩牌。他平时备课,桌子上就是少了纸笔也少不得一滴白兰地一只银杯。要是有一点伤风感冒的小病,他从不上医院,最妙的办法就是一仰脖子,咕嘟嘟半瓶酒下肚,然后拉过一件老羊皮懊,浑身一裹,往沙发上一滚,呼噜噜地睡上一觉,什么头痛脑热都会在梦里云散烟消。他身为化学教授大部分时间不是在实验室渡过,而是将自己关在书房里,手里总捏着一副纸牌,颠来倒去,整好又打乱,乱了又重排,也不邀请牌友,也不去上别人家的牌桌,真不知他这个牌是怎样的玩法。

  再说化学界因为那些难以捉摸的元素正闹得乱轰轰的,莫衷一是。1869年3月,俄罗斯化学会专门邀请各方专家进行了一次学术讨论。学者们有的带着论文,有的带着样品,有的带看自己设计的仪器当场实验,各抒己见,好不热闹。而那个门捷列夫只身空手,裹一件黑色外衣,蓄着一把小胡子,静坐在桌子的一角,三天来不言不语,只是瞪着一双大眼睛看,竖起耳朵听,有时皱皱眉头想。这天眼看会议日程将完,主持人躬身说道:“门捷列夫先生,不知你可有什么高见?”只见门捷列夫也不答话,起身走到桌子的中央,右手从口袋里抽了出来,随即就听唰啦一声,一副纸牌甩住了桌面上,在场的人无不大吃一惊。门捷列夫爱玩纸牌,化学界的朋友也都略有所闻,但总不至于闹到这步田地,到这个严肃的场合来开玩笑。在座的有一位长者寿眉双重,银须齐胸,他叫齐宁,是门捷列夫的老师,过去很赏识门捷列夫的才华,推荐他来校任教。今天他见学生这样开玩笑心中早已不快。只见门捷列夫将那一把乱纷纷的牌捏在手中,三两下便已整好,并一一亮给大家看。这时人们才发现这副牌并不是普通的扑克,每张牌上写的是一种元素的名称、性质、原子量等,共是63张,代表着当时已发现的63种元素。更怪的是这副牌中有红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色。门捷列失真不愧为一个玩纸牌的老手,他用拇指和食指轻轻一捻,纸牌由红到紫使成一排,再一捻又是一排。这样前排靠着后排,整整齐齐,竟在桌上列成了一个牌阵。要是竖看就是红、橙、黄……分别各成一列。门捷列夫将这个牌阵排好,叫大家看个明白,然后用手一搅,满桌只见花花绿绿,横七竖八,不过是一堆五彩乱纸片。他说:“这混乱的一团;就是我们最感头疼的元素世界。实际上这些元素之间有两条暗线将它们穿在一起。第一,就是原子量。尽管不同元素有时会有相似的某种特性,尽管同一元素不同情况下又会表现出不同的颜色、形状,但有一点它们却永不会变,就是各自有自己特有的、互不重复的原子量。因此,我们可以根据原子量的大小将它们排成一条长蛇。”

  说着,门捷列夫十指拨弄一番,一堆乱牌变成整齐的一线。谁知这一排,却明显地看出那七种颜色的纸牌就像画出的光谱段一般,有规律地每隔七张就重复一次。门捷列夫又将其一截截地断开,上下对齐说:“可见,按原子量的大小,元素的性质在做看有周期的重复。如果竖看看,每一列的元素性质相似,这就是第二条暗线——原来每列元素的化合价相同。你们看,左边这列红纸牌上标的是:氢、锂、钠、钾、铷、铯,它们都是一价元素,性质活泼,除氢外都是硷金属。它们构成相似的一族,而在这一族里因原子量的递增,元素的活泼性也在递增,锂最轻,原子量是7,也最安静,落到水里只发一点嘶嘶声,钠的原子量是23,落到水面上就不安地又叫又跑;钾的原子量是40,落到水面上会尖叫着乱窜、爆响,还起火焰;要是排尾的那个铯,原子量是133,简直不能在空气里呆一秒钟,立即就会自己燃烧起来。这63种元素,原来就这样暗暗地由原子量这条线穿起来,又分成不同的族,每族有相同的化合价,按周期循环,这就是周期律,元素周期律。”

  只见门捷列夫双手像变魔术一样将那副纸牌在桌上变来变去,口中念念有词讲着每一个元素的性质,滚瓜烂熟,如数家珍。他放下红纸牌又拿起绿牌,说了第一族又说第二族,周围的人直听得目瞪口呆,他们这些在实验室钻了十年、几十年,手上也不知被烧起多少伤疤,掉了几层皮的专家、教授,想不到一个青年人玩玩纸牌就能得出这番道理,要说不服气吧,好像有理,要说真是这样,又哪能这样容易。这时突然有人说道:

  “先生,我看你那几张牌也未必就能将元素规律演试清楚。你看六年前发现的新元素铟,原子量是75.4应排在砷和硒之间,可是这样一来砷无法和它相似的磷在一族里,硒也被挤出了硫那一族,岂不是扰得四邻不安?这还算什么规律?”

  “先生,莫急。我看那铟的原子量很可怀疑,它的性质和铝相似,按我推算它的原子量应是113.1(后来测得是114.82),它本来就不应该挤在砷后面,应排到镉与锡之间去,这不就大家都相安无事了吗?”

  这时,一直坐在旁边看着的齐宁早已气得胡子掀起毛高,他一拍桌子站起来,以师长的严厉声调高声说道:“快收起你这套魔术吧。身为教授、科学家不在实验室里老老实实做实验,却异想天开,摆摆纸牌就要发现什么规律。这些元素难道就由你这样随便摆布吗?”

  门捷列夫一见是老师发了脾气,忙将纸牌收拢,毕恭毕敬地解释道:“不是我不做实验,是前人,戴维、本生、基尔霍夫他们已经做了够多的实验,发现了这么多元素,我们该从理论上做一点思考了。开普勒当年从他的老师第谷手中接过了700颗桓星的观察资料,并没有按照师嘱再去观察第一千颗,他做了理论思考,终于发现了能解绎众星运行的三定律;勒维烈之前有多少人在观察寻找天王星外的新星,他并没有把主要精力放在实地观察,而是做了理论推算,一下就准确地找见了海王星。在研究元素的过程中人们使用的武器够多了,有光,有电,有分馏法,这些都不够了,现在需要理论,化学该有自己强大的理论武器问世了。”

  “你这是什么理论?像是说梦,像是小孩玩积木。你何不按字母顺序去排元素周期呢?那样不是更省事,更整齐吗?”这齐宁老头越说越激动,一边就收拾皮包准备离去,别人见状也都纷纷站起,这场讨论不了了之。

  再说门捷列夫回到家里后还是继续推着这副纸牌,遇有哪个地方的顺序接连不上时,他就断定一定还有什么新元素未被发现,暂时补上一张空牌,再根据它所在的族起一个“类铝”或者“类硼”等样的名字。他这样一口气预言了十一种未知元素,那副纸牌也已是74张。自从那天在会上碰了钉子,他闭门谢客,每日起来烛自玩一会儿纸牌,翻几本新到的杂志,便叫助手安东拿过酒瓶自斟自酌,倒也悠闲。这样一连过了几年,忽一日他正品酒翻书,突然大叫一声,将酒杯扔出老远。安东不知出了什么事,急忙推门进来。门捷列夫一下扑上去,双手摇着安东的肩膀喊道:“我们胜利了,他们这回要投降了,有人已经证实了我的预言!”

  原来他刚才看到一个材料。法国科学院宣布他们的科学家布瓦博德朗在1875年9月发现了一种新元素——镓。而且那发现过程是多么艰苦,多么神秘。这个布瓦博德朗是一个光谱分析的好手,在1875年8月27日深夜3点多钟,他在分析从庇里牛斯山送来的一种闪锌矿时捕捉到一微紫色光线。他对这个新发现没有把握,但又怕别人抢了先,于是连忙写了一个备忘录,用火漆封好,寄交法国科学院备案。又过了三个星期,他手头的这种新物质已经积累到一毫克,他又测了它的比重、原子量,于是就正式宣布他发现了新元素。

  再说门捷列夫见有人发现了新元素,喜得酒杯也扔了,牌也不玩了。但过一会儿他发现市瓦博德朗的测量并不准确,立即提笔写了一封很自信的短信:“先生,您发现的镓,就是我五年前预言的‘类铝’,只是它的比重应该是5.9,而您却测得是4.7,请您再做一次实验,我想大概是您的新物质还不太纯的缘故吧。”

  这布瓦博德朗在巴黎正为自己的新发现所陶醉,不想突然收到这样一封信。全世界就只有他拥有这么一点钱,这个俄国人由哪里得到的数据呢?他半信半疑立即将新积累的共1/15克钱拿来再仔细测算一次。——天啊,果然是5.94!这个法国人立即给彼得堡回了一信:“尊敬的门捷列夫先生,首先祝贺您的胜利。我能说什么呢?这次实验,连同我的发现都不过是您的元素周期表的一个小注解。这是您的元素周期律的伟大之处的最好证明。”

  事情没过几天,齐宁也亲自来登门捷列夫的门。这回他手里提着酒瓶,一进门就开朗地喊道:“年轻人你赢了,我们俄国人赢了,让我们一起来痛饮一杯!”

  事情还不止于此。这门捷列夫坐在家里,千里之外不断地向他送着捷报。法国刚发现了镓,1879年瑞典人尼里逊又发现了钪,就是门捷列夫曾预言的“类硼”。1885年德国人温克莱尔又发现了锗,就是门捷列夫曾预言的“类硅”。尤其是这锗和门捷列夫十五年前的预言竟然吻合得如此严密。门捷列夫说:"它的原子量可能是72。"温克莱尔说:“测到的是72或73。”门捷列夫说:“比重该是5.5。”温克莱尔说:“是5,47。”门捷列夫说:“新元素的氯化物比重大约是1.9。”温克莱尔说:“是1.887。”门捷列夫惊人的预言,准确的周期表一时间轰动了法国、瑞典、德国,轰动了全欧洲。各国科学院纷纷请他去访问,争先恐后地向他授予学位、学衔。他预言的十一种未知元素后来都一个个被人找到,乖乖地到他的周期表里排队站位去了。特别是后来找齐了的氦、氖、氩、氪、氙、氡又给周期表增加了新的一族。元素世界一目了然,周期表真可谓天衣无缝了。它像一幅大地图,只要我们一展开,万里河山就尽收眼底。以后人们对化学的研究就全靠这幅指南图了。各位读着,这正符合了实践生成理论,理论指导实践的道理。我们前几回书里讲过的勒维烈发现海王星,赫兹发现电磁波,不都是在牛顿和麦克斯韦的理论之后吗?这实在是一条科学发现的相似规律。这种理论上的突破比戴维当年找见一种钠或钾不知重要多少倍,在思维方面付出的艰苦劳动也决不亚于在实验室里的具体操作。当时有人真的以为门捷列夫只是喝酒、玩牌就发现了周期律。有一天,彼得堡的一位小报记者上门采访说:“门捷列夫先生,您是不是承认你是一位天才?”

  “什么是天才?终身努力,便成天才!”

  “可是我听说您是在一晚上做了一个梦,梦见您桌子上的牌变成一条蛇,这蛇又弯成几折,醒来后就制出了周期表。”

  门捷列夫哈哈大笑,笑得胡子都在颤抖,答道:“您要知道,这个问题我大约想了有二十年,而您却以为坐着不动,五个戈比一行、五个戈比一行地写,就写出来了,事情哪有这样简单。”

  门捷列夫本来就是学院里有名的教授,周期律发现后他更受学生的欢迎,每天慕名来听课的人挤得连教室的走廊上也插不进一只脚。这天,像往常一样,门捷列夫又来上课,照样是满堂屏气凝神,鸦雀无声。一会讲课结束,学生们又欢呼雀跃,掌声雷动。可是门捷列夫却将讲义合上,示意学生们静下来,走到讲台的前沿。他沉默了片刻,像要说什么,却又说不出,眼里含着愤怒,还闪着一点泪光,最后只说了一句“对不起,同学们。我这是给大家上最后一堂课。希望你们今后认真读书,各自珍重。再见。”

  门捷列夫为何突然罢课,请听下回分解。