自古以来，背诵元素周期表就是广大中小学生的一项艰难的任务，118个平时见都见不到的生僻字，要按顺序背诵下来，还要搭配奇怪的元素符号，简直是太折磨了。
元素周期表为什么这么难背？究竟是谁发现了这么多元素呢？他们又是怎么发现这些元素的呢？请跟随小编的脚步，开启元素发现之旅吧~
1 元素是什么
对于我们来说，元素和元素周期表就好像从天上掉下来的，关于它的来源我们只知道，有一天化学老师让我们打开课本的最后一页，一张长相奇怪的表浮现在我们面前，然后老师说：“这张表，你们回去背吧。如果背不下来可以先背前20个。”
于是，元素周期表就闯入了我们的生活。
那么元素周期表被提出之前，化学家们都在干什么呢？
我们知道，不管是物理学家还是化学家，他们都喜欢把各种不一样的东西放到一起，并且最好再放到各种极端条件下，比如高温、低温、高压之类的，看会发生什么。
极端条件下物质往往表现出奇怪的性质
而偏偏自然界就是有些东西，在极端条件下、或者和其它什么东西混合的时候，就会发生一些化学反应，人们不禁思考，是什么导致不同的物质具有这些性质。
有人认为，物质中含有一种“活跃成分”，物质参与的化学反应由这些活跃成分决定，活跃成分不是某种特定物质，更像是物质的“性格”。比如“燃素”就是一种活跃成分，存在于可燃物中，在燃烧时被释放出来。
早期的化学理论认为，物质的可燃性由内部一种叫“燃素”的成分决定，物质燃烧时释放出燃素 | 图源 Wikipedia
这种观点长期存在于学界，直到18世纪，人们开始认为物质的性质由其成分决定，这里的成分也就是后来我们所说的元素组成，此外，每一种元素成分理论上可以在实验室分离出来。
造成这种转变的一个重要原因是人们意识到物质成分是稳定的，某种物质经过一系列化合和分解反应之后又回到它本身，这意味着组成物质的基本单元是保持不变的，化学反应只是重新组合。
于是著名化学家拉瓦锡接受了元素的观点并发展出自己的关于元素的定义：化学元素是不能被进一步分解的单一物质。
拉瓦锡肖像 | 图源 pixabay
我相信，细心的同学已经发现问题了，这个定义的问题在哪里呢？
拉瓦锡给出的元素的定义实际上是依据一个“消极经验”判据，我们说它是“经验的”是因为这个定义只取决于实验结果，而我们说它是“消极的”是因为它依赖于元素的不可被分解，而不是任何积极的标准。
这有什么问题呢，问题在于，如果你用尽了实验室里所有办法都不能将一种物质分解，你仍然不能确定这种物质确实不能被分解，因为你不知道是不是现有的方法不足以使其分解。
另外，这个定义还是循环论证，它将简单物质定义为无法分解的，又将分解定义为将化合物分解为更简单物质的操作，因为我们不能先验地知道有哪些元素，也不知道某种物质的元素组成，所以我们总可以规定哪些物质是更简单的，让相同的操作既可以是合成也可以是分解。
2 寻找化学元素
那么问题来了，既然拉瓦锡的定义不能用，怎么找到化学元素呢？
这就不得不介绍一种化学类比的方法了。化学类比的关键在于，如果几种物质有着相似的溶解度、可燃性、以及形成特定种类的氧化物、酸或盐的性质，那么可以猜想它们有着相似的组成。除了类比，科学家的直觉可能更重要。
元素铝的发现可以说是化学类比的一个成功案例。人们在18世纪中叶就发现了氧化铝，不少学者猜测氧化铝是一种未发现的金属铝的氧化物，1810年前后化学家戴维的一系列研究为这个猜想提供了强有力的支持。
看到这里读者可能会疑惑，氧化铝从名字也知道是铝的氧化物啊。实际上，在学术界是“氧化铝”这个名字先出现，而元素铝的名称是根据氧化铝得来的。
铝单质 | 图源 Wikipedia
戴维首先利用电解的方法从化合物中分离出了钾和钠，他认为钾和钠是元素单质的一条理由是，它们和贵金属有相似的性质，如金属光泽、导电性、导热性等，而贵金属普遍被认为是由不可分解的元素组成。
后来他继续利用电解法分离出碱土金属单质(镁、钙、锶、钡)，并且根据它们具有可燃性以及金属光泽等与钾钠相似的物理化学性质判断它们也是元素单质。
但是戴维在分解出铝的尝试中并没有获得碱土金属那样的结果，这对他预言铝元素的存在是一个不小和挑战。戴维基于对碱土金属的研究，认为所有可成盐物质都可以归为金属氧化物。
初中化学告诉我们，碱金属、碱土金属和氧化铝的溶解性是不同的，碱金属盐总是溶于水，而碱土金属和铝盐则溶解性低。
这些不同的性质不支持戴维的观点。但戴维凭借他敏锐的直觉认为，溶解性的差别是次要的，是金属氧化物内部的差别，而与酸反应形成盐才是更为本质的特征。
戴维肖像 | 图源 Wikipedia
后来丹麦物理学家奥斯特(没错，就是那个发现电流产生磁场的那个奥斯特)首先用钾汞合金从氯化铝中分离出铝，证实了戴维的直觉。
3 门捷列夫
19世纪前半叶，人们发现了越来越多的元素，将这些元素整理成一个便于查阅的体系变得尤为重要。
1860年的卡尔斯鲁厄会议(Karlsruhe Congress)上，一个叫坎尼扎罗(Cannizzaro)的意大利化学家引起了人们的注意，他在会上澄清了原子和分子的概念，并给出了测量原子和分子质量的方法。
图源 pixabay
那么这和元素周期表有什么关系呢？
我们知道在当时，原子在人们心中还只是一个实心小球，直到1897年J.J.汤姆孙发现电子之后，人们才开始研究原子的微观结构。
面对一个又一个不同的实心小球，你会怎样区分它们？
最好是根据它们的化学性质进行区分，排列成一张表。那时，人们手里的线索只有原子质量。
另外，分子的质量也是可以测量的，人们也就知道了某种物质的化学计量数，这恰好是化学性质的一个直接反映。现在的我们知道了，化学计量数反映的是元素的化合价，也就反映了原子的电子排布情况。
现在我们就可以开始排元素周期表了。
首先将所有元素按原子质量排成一行，然后根据每种元素的化学性质适当地将这一行折成若干列，最后利用实验数据和科学家的直觉，局部调整元素的位置，使性质相近的元素位于同一列，留出空位给后面的科学家发现并填充新的元素。这样就形成了一个原始版本的元素周期表。
4 原子结构
前文提到J.J.汤姆孙发现电子，从此对人们来说，原子再也不是不可再分的实心小球，它的微观结构成为了量子力学的重要主题之一，也成为了决定我们周围几乎一切物质性质的因素。
阴极射线管及其原理图，汤姆孙借助此发现阴极射线其实是电子
汤姆孙发现电子后不久，提出了原子的葡萄干布丁模型，认为电子均匀的正电背景中运动，构成原子。
后来卢瑟福发现了原子的正电荷集中在一个质量非常大、体积非常小的原子核中，他根据α粒子散射结果提出了原子核式模型，电子像行星绕恒星公转那样绕核运动。
经典电磁学理论预言卢瑟福的原子模型不能稳定存在，且该模型给出的原子光谱应当是连续谱，与实验观测到的量子化光谱不符。于是玻尔提出了原子轨道量子化的模型。量子力学和量子场论建立后，人们可以解出原子中电子的能量和本征态，人们对原子有了更深入的认识。
图源 | pixabay
于是有了我们课本上的话：原子由带负电的电子和带正电的原子核构成，原子核由带正电的质子和电中性的中子构成，原子中质子数等于核外电子数，也等于原子序数，也就是元素周期表中的位置。电子在原子中分层排列，层数相同的位于一个周期，最外层电子数相同的位于同一族。
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参考资料
[1]Hijmans, Sarah. From Lavoisier to Mendeleev: the identification of chemical elements in practice between 1770 and 1870. Diss. Université Paris Cité, 2023.
[2]Hendry, Robin Findlay. "Lavoisier and Mendeleev on the elements." Foundations of Chemistry 7.1 (2005): 31-48.
[3]Hijmans, Sarah N. "Analogy and Composition in Early Nineteenth-Century Chemistry The Case of Aluminium." European Journal for Philosophy of Science 12.1 (2022): 5.
[4]Wikipedia: Chemical element
[5]BRANSDEN B, JOACHAIN C. Physics of atoms and molecules[M]. Longman, 1983.
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