【探索21-3】追尋門得列夫的築夢足跡

講師|中正大學化學暨生物化學系副教授 于淑君
彙整撰文|趙揚光

法國數學家龐加萊(Jules Henri Poincaré)曾說:「科學家研究自然,是為了追求大自然複雜現象背後所存在一個簡單、和諧與完美的秩序。」在150年前排列出第一張元素週期表的門得列夫,便終其一生致力尋求科學在自然界中的規則與真理,也因此為後世開拓了近代化學的嶄新大道,使更多人依循這份美麗的秩序而前進。

來自西伯利亞凍土下的璞玉

門得列夫的家庭背景,特別是母親帶給他的影響,是門得列夫得以被後世尊為「週期表之父」這偉大科學家象徵的關鍵!擔任本講講者的中正大學化學暨生物化學系于淑君副教授,在演講的前半段以生動的敘述,介紹了門得列夫的成長與求學歷程。門得列夫生於俄國西伯利亞,父親是一位高中校長;具有韃靼(Tatar)血統的母親,家族曾經營玻璃工廠,為教育工人及其子女,在工廠內辦理了小型學校,此外其家族也曾辦過報社。身為家中老么的門得列夫,在極富知識背景的家族裡,自然被寄予厚望,他的母親帶著他與他的姊姊一路跋涉到莫斯科,再輾轉到聖彼得堡,讓門得列夫進入聖彼得堡大學中央教育學院就讀。在聖彼得堡就學期間,母親與姊姊相繼因肺結核病逝,母親臨終前囑咐門得列夫要「遠離幻想,堅持成果而非誇言;耐心尋求神聖科學真理。」成為門得列夫往後研究生涯必然遵循的座右銘。

從紙牌中找出科學真理

取得碩士學位的門得列夫,步入教職及研究的工作,於1861年編寫了《有機化學》教科書,1868年發表《化學原理》第一卷;這段期間,科學家們不斷透過實驗發現一種又一種的化學元素,也探究著元素之間彼此的關係。在德國科學家徳貝萊納(J. W. Dobereiner)提出「三元組」元素排列法後,「碲螺旋(telluric helix)」狀週期表、「八音律法(Law of Octaves)」相繼問世,但都沒有一個較宏觀的理論系統產生,門得列夫因而思考如何以更直觀的方式整理歸納漸趨繁雜的元素,以便教學及傳承。他把每個元素與其原子量及化學性質寫在一張張卡片上,如此組起一副紙牌,經過一次次耐心地紙牌遊戲排列,終於從原子量由低而高的排列與分組中找到了某種規律,於是他記錄下來,便是我們所知的第一張元素週期表!

門得列夫於1869年所寫下的這份元素週期律裡,元素依照其原子量大小排列,其性質明顯呈現出週期性,亦即元素的價數(與其他元素的結合能力)也呈現規則的排列趨勢,若當原子量與價數排列相衝突時,就會依照價數來排列,而週期表上有些未知的空格,則是門得列夫預期可能會被發現的未知新元素。神奇的是在往後的實驗證明中發現,門得列夫週期表上的預測竟然頗為準確。其中,1875年「類鋁元素」鎵(Ga)的發現,讓門得列夫特別寫了信給其發現者─法國科學家德布瓦博德蘭(P. E. L. de Boisbaudran),說明鎵的比重值有誤;德布瓦博德蘭隨後以更嚴謹的方式重新提煉純鎵並進行實驗,測得鎵的比重確實為門得列夫的預測值5.9,而非原先所測的4.7!這可說是人類首度以科學方法準確預言了未知元素的案例,使當時歐洲的科學界大為振奮。

讓更多人踏上築夢之旅

1871年,門得列夫出版了《化學原理》第二卷,並在後續幾年中他所預測的未知元素也陸續被發現與證實,促使他在科學界的貢獻得到當時以歐洲為中心的科學界肯定,然而唯獨總是與諾貝爾獎擦身而過。1907年2月,門得列夫因流感而病逝於聖彼得堡,然而後人關於元素週期性的研究仍未間斷。1913年,英國科學家莫斯利(Henry Moseley)對照了週期表進行實驗,發現原子所放射出來的X-射線頻率平方根與週期表的原子序成正比例,即為「莫斯利定律」。莫斯利定律以原子核內質子數目之「原子序」,代替原子量來重新排列週期表,修正了許多化學的基礎概念,也解釋了門得列夫週期表中幾處以價數而非原子量來排列的困惑。

修正後的元素週期表包含了遞建原理(Aufbau Principle)的觀念,主要是以量子力學描述電子性質,說明電子會優先填入低能量原子軌域。如此一來,週期表上的新元素便能依照多電子原子軌域能量,由低到高依序建構、排列下去。今日,我們所熟知的元素週期表上已有118個元素,物理學家費曼(Richard Feynman)預估能夠進展至173個,而這些成果及概念皆根植於門得列夫的元素週期律。美國科學家西柏格(Glenn T. Seaborg)在1955年發現了原子序為101的新元素,特別於1963年將此元素命名為「鍆(Md)」,藉以表彰與紀念門得列夫。

元素週期表整理了大自然間的散亂而成規律,一如門得列夫的母親所言,它引領人們「遠離幻想」,藉著科學實證一步步地尋求真實。門得列夫的這項研究成果「激發了20世紀初的量子革命,得以原子結構解釋自然界物質多樣性的秘密,而成就現今科學的發展。」于教授這麼說,期望透過今年的「國際元素週期表年」,喚起大家重新認知這些化學的偉大成就與歷史。

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本文整理自:108/3/30由于淑君老師在臺大思亮館國際會議廳所主講之「從西伯利亞到聖彼得堡—門得列夫築夢週期表之路」演講內容。

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