國立中興大學物理學系

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2019-05-17

門德列夫元素週期表之後,這150年內有別的元素週期表嗎? (徐皓 中興大學物理系學生)

西元1869年,門德列夫(Dmitri Mendeleev, 1834 – 1907)提出了元素週期表,不但整理了各種元素之間的關係,甚至預測了當時並未發現的元素。雖然當時的元素週期表使用了原子量(Atomic mass)而非原子序(Atomic number)來做排列依據,現今科學家們所使用的元素週期表演變來自於當時的版本,並可以說在基本邏輯上是與當時的形式所去無幾,不得不佩服門德列夫對於周期表的考量上所具有的完整性。然而我們都知道現今的形式和當時接近以外,是否代表在門德列夫之後至今這150年內,科學家們除了修正他的版本就沒有再提出新的元素週期表形式呢?答案似乎出乎我們意料之外:不但有,數量還不少。
 
圖片 1
Figure1來源:Wikipedia
 
西元1928年,法國工程師查里珍尼特(Charles Janet,1849 – 1932)提出左階式元素週期表(Left-step periodic table)將週期的位置重新排列,使週期表對齊成一階梯狀並依照最外層電子填入的殼層來區分區塊,依此可以對周期表可以表示的特性更加完整。然而這種格式除了某些物理學家以外並沒有被大量使用,其中一個原因是否是因為這種排列會使整體篇幅變得很長而在列印上變得不易觀察呢?

Otto Theodor Benfey(1925 - )於1964年在化學期刊上提出了一種看起來像是蝸牛的二維螺旋形週期表,又稱為「週期蝸牛(Periodic Snail)」。從中心的氫開始以螺旋狀往外讀起,順序同樣是按照原子序,延伸出去的一些分支如過度金屬和鑭系錒系元素可以很明顯的被看出並且在有新的元素增加後整個圖表不會變得越來越長。

 
圖片 2
Figure 2來源:DePiep(Wikipedia)/CC BY-NC-ND 3.0
 
Timothy Stowe提出了一種三維的元素週期表圖,圖中每一區塊都是像百貨公司的樓層圖依樣標示出每一層的元素有哪些,而這圖的真實狀況為每一層一個個重疊起來。這種圖的特色是以立體圖來觀看這張表時三維的座標可以分別代表出外層電子的主量子數(principal quantum number)、角量子數(azimuthal quantum number)和磁量子數(magnetic quantum number)。
 
圖片 3
 
Figure 3來源:Bastianow(Wikipedia)/ CC BY-SA 4.0
 
加拿大的化學家Paul-Antoine Giguère(1910 – 1987)也提出了不一樣的三維元素週期表,和前一個疊起來像磚塊一般,這種作法將周期表捲成如花瓣一樣。他的做法是類似將原先的元素週期表各區塊剪下後捲曲並在中心黏在一起,例如氦會變成在氫的正後方,以此方法得到的結果會有點像Janet的周期表摺起來的樣式,而閱讀方法會變成從上而下螺旋狀往下讀。
圖片 4
Figure 4來源:Тимохова Ольга(Wikipedia)/CC BY-SA 3.0
 
在2006年,有一種直式的元素週期表稱作ADOMAH週期表,由Valery Tsimmerman提出,他也是依照外層電子量子數的方法來排列個元素的位置,而與Stowe的版本比起來看起來更加精簡,同時僅在平面上就可簡易表達其結果。

除此之外還有很多各式各樣的周期表,如海德(J. F. Hyde)的緞帶圖(Curled ribbon periodic table)、Jan Scholten的螺旋週期表(Spiral periodic table)等等,不過這些各式各樣的周期表都是依照現代的理論去針對所需去對門德列夫的版本去做變形。雖然這些新週期表並沒有取代我們常用的周期表版本,但展現了科學家們對於元素周期性的各式各樣的想像力,也能夠各自在其獨特性與邏輯性達到平衡,未來是否還會有更多不同形式的周期表、是否會取代我們所使用的版本,這些都是我們現今難以去想像得到的吧。

 

Reference:
http://www.chemistry-blog.com/2009/04/26/alternative-periodic-tables/comment-page-1/
http://www.ipgp.fr/~tarantola/Files/Professional/Mendeleev/
http://www.perfectperiodictable.com/userguide