周期表的艺术

要给互联网科学界留下深刻印象，并不需要天才。你只需要一个厨房和一份元素周期表。然后是烘焙、糖衣和系统地给118个纸杯蛋糕贴上标签，每种元素一个。你的“纸杯蛋糕周期表”几乎肯定会得到大量的点赞、点赞、转发或任何你喜欢的社交货币。当然，把任何东西都做成纸杯蛋糕会让它更美味，但事实上，这些诱人的桌子之一，是一个化学工程专业的学生发明的在2012年被称为瑞秋，已经被观看了超过50万次，它讲述了一些关于元素周期表和它所象征的东西。

化学哲学家说:“它已经成为一种文化符号。Eric Scerri他写了几本关于元素周期表的书。他指出，它最著名的结构——我们从化学教科书中熟悉的那种——已经被重新用于分类水果和蔬菜，脏话，甚至爵士音乐家。他说:“你想提的都有。”与此同时，作为一种组织化学元素的系统，科学家们仍在争论其布局。构造一个元素周期表以满足化学家敏锐的眼睛，既是一门艺术，也是一门科学。

当然，它的概念是由俄罗斯化学家德米特里·门捷列夫提出的，150年前，我们以国际元素周期表年来庆祝他的天才时刻。但在过去的一个半世纪里，它出现了一些奇异而偶尔美丽的重新想象。甚至在门捷列夫在1868年写下他的初稿之前，法国地质学家亚历山大-埃米尔Béguyer Chancourtois就制定了他的初稿vis tellurique他在一个圆柱体上展示了一种以碲为中心的元素图。这张图看起来更像一张海图，而不是元素表，但它与门捷列夫的版本有很多相似之处。Chancourtois将元素按照原子量的顺序排列，并认识到某些性质以一定的间隔重复出现——这反映了门捷列夫在他的表格中显示的周期性。将它环绕在一个圆柱体上，产生了类似于门捷列夫的组的相似元素的垂直列表。对Chancourtois来说，不幸的是，他需要在3D中查看他的系统，并在地质学杂志上发表，这意味着它从未在化学家中流行起来。

更早的时候，德国化学家Johann Döbereiner根据元素的原子量将它们分为三种。在每组三个元素中，中间元素的权重大约是其他两个元素的平均值。正如Scerri解释的那样，使用原子量意味着这些“三位位”并不准确，但Döbereiner早在1829年就能够将溴放在氯和碘之间，将钠放在锂和钾之间。“根据原子序数，也就是现在的排序原则，这些三位一体是精确的，”Scerri说。然而，直到门捷列夫死后，原子序数才被发现，所以他的第一张表根据原子量显示了一些错误的顺序。他确实纠正了这些错误，但只是基于他在它们的属性中看到的模式。

与门捷列夫几乎同时，德国化学家朱利叶斯·梅耶和英国化学家约翰·纽兰兹都是试图将元素组织到表中．纽兰兹提出了他的“八度定律”，将元素排列在一个音阶上，第八个音符与第一个音符的属性相呼应，就像在C大调的顶部回到C。然而，他的想法一再被驳回。

会糊涂

在门捷列夫的初稿和终稿之间，元素编排才真正开始流行起来。跟随Chancourtois的脚步，许多化学家试图完善螺旋结构。根据彼得Wothers英国剑桥大学圣凯瑟琳学院的化学研究主任说，对化学家来说，看到元素以螺旋状排列是“特别令人高兴的”，因为它使它们的原子序数保持有序，形成一个长而不间断的字符串。虽然在门捷列夫的时代，只有原子量可以衡量。

今天，我们很少看到元素像螺旋一样有序，因为现代化学教科书除了必须从左到右再回到周期表上阅读外，通常将其压缩为18列形式，将镧系元素和锕系元素重新定位到底部的浮动框中。根据Scerri的说法，将它们留在过渡金属之间的32列版本是一个明显的改进。他说:“在那里，每个元素都在原子序数的适当位置。”这在哲学上更站得住脚。但他承认，对于教科书和墙壁展示来说，18栏的更实用。

螺旋结构，就像德国化学家和矿物学家海因里希·鲍姆豪尔1870年的努力，是一种更紧凑的保持元素有序的方式，甚至门捷列夫也认为这是一种更优雅的解决方案。他写道:“实际上，元素的序列是不间断的，在某种程度上，它们对应于一个螺旋函数。”他只是不喜欢没有方程来确定螺旋的形状。鲍姆豪尔和瑞典地质学家阿克塞尔·厄德曼(Axel Erdmann)(1902年)创造了蛛网状的设计，元素从中心氢旋转出来。但是，当他们试图在连续的线圈中排列相似的元素时，他们并没有得到很好的结果。鲍姆豪尔意识到了这一点，为了解决这个问题，他到处画箭头。

1913年，英国物理学家亨利·莫斯利(Henry Moseley)和丹麦物理学家尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)提出了原子结构理论，原子序数问世后，周期表被赋予了新的意义，人们也尝试了更精确的螺旋式排列。现在，化学家们知道每种元素在其原子中心都有其独特数量的质子，但在这些中心质子周围，所有元素都有相同的标准大小的“壳层”，用于填充电子。结果发现，表中相似元素的最外层电子数是相同的。行中不同块的长度表示壳层及其子壳层中可用的空间数量。因此，在某种意义上，周期性的螺旋呈现出原子本身的形式。

正如美国化学家英戈·哈克(Ingo Hackh)在1914年首次证明的那样，不同大小的周期可以用不同大小的线圈来解释。1926年，美国密苏里矿业学院的C J门罗和W D特纳发明了更复杂的圆形元素周期表基于电子构型。从中心的氢开始，形成越来越大的螺旋状循环，每个循环覆盖一个电子壳层或一组亚壳层，以惰性气体返回中心，然后再以碱金属返回另一个循环。他们在附带的论文中写道:“这样做的好处是，一个周期在连续的过程中紧随另一个周期，而不需要任何人为的间断。”不可否认，在镧系元素和锕系元素开始的时候，它确实有点复杂，但关键的是，它们的原子序数保持了正确和完整的顺序。

走得太远了?

当化学家们被线圈迷得神魂颠倒时，另一个元素排列者分支却有不同的想法。他们是物理学家，打算将新发展的量子理论纳入表格，使其在电子构型方面更加“正确”。玻尔自己的版本可能太偏离传统的表，最感兴趣。但是查尔斯·珍妮特，一位富有的法国业余科学家，他靠他父亲的画笔生意发家，拼凑出了一些东西，至少在一些物理学家中，被证明更受欢迎。Scerri也是他的粉丝。对我来说，这才是真正的麦科伊。它的形状更赏心悦目，在美学上更令人满意，但也更正确。在珍妮特的“左阶”表中，结构都是关于电子壳层的，因此氦被放置在第2族的顶部，这是有争议的，因为它最外层有两个电子。为了反驳这种反对意见，Scerri自己也提出了自己的观点他自己的桌子，其中包含了左步表的一些方面，但保留了氦与惰性气体在18族中的传统位置。

从那时起，物理学家们继续尝试以“核素表”的形式制作一个理论上更完整的元素周期表，这个表不仅包括所有的元素，还包括它们所有的稳定同位素和放射性形式。那些认为32栏的表格作为挂图不切实际的人可能也不会喜欢这个版本。

形式与功能

1942年，美国加州大学伯克利分校的格伦·西博格(Glenn seborg)构建了我们今天熟悉的元素周期表，在加入曼哈顿原子弹项目之前，用钚扩充了周期表。后来他发现了大量的重元素来完成锕系元素。对一些人来说，西博格的版本简直是最好的。化学家马克·里奇(Mark Leach)在他的网站上“收集”元素周期表已有14年meta-synthesis.com，是其中之一。他说:“我个人认为最好的提法是经典的提法。”里奇的收藏多达数百种，包括一些“非常疯狂”但看起来“非常漂亮”的。

然而，仍有大量的表格努力建立一个健全的理论基础，通常是通过重做螺旋结构。从战前时期，利奇的文物包括珍妮特1929年的螺旋形“Lemniscate”公式，这与门罗和特纳的圆形图表没有什么不同。继续同样的主题——看起来就像看过克里斯托弗·诺兰电影的田径跑道《盗梦空间》——有1934年罗曼诺夫的8字形公式，后来还有一些引人注目的全彩版本。美国科幻作家和化学家约翰·克拉克1933年的设计在1949年的重新设计中具有美丽的复古风格生活杂志，而美国工业硅胶化学家富兰克林·海德1975年的《元素的周期关系》将柔滑的旋转与丰富的信息结合在一起。该公司对硅的主要关注符合海德的口味，如果不是所有人都喜欢的话。然而，出于教育目的，德国出生的美国科学历史学家西奥多·本菲(Theodor Benfey) 1960年的《周期蜗牛》对这一主题给出了更清晰的解释，甚至为未发现的“超锕系元素”留下了空白。

在所有这些重新排列中，功能是否为形式而牺牲?也许在某些情况下是这样，但在Scerri看来，函数作为一个概念是“相当肮脏的”，而且过于关注应用程序。相反，他建议那些致力于改进元素周期表的人努力追求对称和优雅——美学的两个方面——因为如果它更优雅，它可能就更正确。“美学更多地与理解、深刻的理论和哲学上的满足有关，”Scerri说。“所以这不是功能的问题，恰恰相反。”

到1957年，重新排列元素的艺术已经有了足够的多样性，拉脱维亚出生的化学家爱德华·马祖尔斯(Edward Mazurs)就此主题撰写了一整本书。化学元素周期系统的图形表示类型完全按照封面上写的做，并手工绘制了大约700个周期公式，146个分类。和Scerri一样，Mazurs也喜欢左边台阶的桌子，并设计了不止一张这样的桌子。

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虽然大多数周期系统爱好者都满足于在二维空间中渲染他们的设计，但其他人认为三维空间是必要的，有些人甚至创建了模型、剪纸和艺术品。门罗和特纳1926年的螺旋画实际上是一个早期的例子——他们的2D圆形设计实际上是一个相当丑陋的模型的“基础投影”，由涂有元素标签的珐琅圆盘制成，放在棍子上。甚至在更早的1898年，英国光谱学家威廉·克鲁克斯(William Crookes)用已知元素的原子量来排序对母线，类似的概念，但更整洁，有很多空白光盘。1911年，发现元素有同位素的英国放射化学家弗雷德里克·索迪绘制了3D泪滴形状的环，创造了一个看起来相当不寻常的周期系统。

1948年，就在西博格忙于发现大部分锕系元素的时候，物理学家乔治·伽莫夫(George Gamow)在他的书中发表了他的“缠绕丝带”公式一二三……无限．它展示了一个或多个“圆柱形带”上的元素，这些带可以由几张纸片制成。有问题的镧系元素在主表外形成了一个较小的环，因此既保持了传统的西博格外观，又保持了原子序数的完整链。美国科学博物馆展览设计师罗伊·亚历山大(Roy Alexander) 1965年对这种安排的看法现在已经成为现实作为教具出售——或者整理桌子。

今年，为了纪念元素周期表问世150周年，women委托了一款闪亮的，新的周期性螺旋雕塑将在圣凯瑟琳展出s.它基于乔治·沙尔滕布兰德(George Schaltenbrand) 1920年的设计，由一条5米长的银带和118块按原子序数排列的瓦片组成，同一组的元素整齐地排列在一起。更重要的是，金的瓦是由金构成的，钯的瓦是由钯构成的，而且，考虑到氦的左步争议，它的瓦与第2族和第18族的位置相等。沃特斯说:“有趣的是，每个看过这幅画的人都说它太美了，无论是化学家还是非化学家。”不过，它的错综复杂无疑会被那些陶醉于纸杯蛋糕周期表的人所欣赏。

海莉·贝内特是英国布里斯托尔的科学作家。