宇宙万物是由什么组成的

宇宙万物是由什么组成的？自古以来就一直是人们不倦探索的问题。古希腊人认为是水、土、火、气四种元素，古代中国人则相信金、木、水、火、土五种元素之说。到了近代，人们才渐渐明白：元素多种多样，决不止于四、五种。18世纪，科学家已探知的元素有30多种，如金、银、铁、氧、磷、硫等。到19世纪，人们发现的元素已达54种。人们自然会问，自然界到底有多少元素？元素之间有什么异同和存在什么内部联系？新的元素应该怎样去发现？对这些问题，当时的化学界正处在探索阶段。多年来，各国的化学家们为了打开这秘密的大门，进行了顽强的努力，但一直进展不大，直到俄国科学家伊万诺维奇·门捷列夫（P.I.Mendeleev）发现了元素周期律，才揭示了元素之间的内在联系。

曲折的人生，敏锐的洞察力

1834年，门捷列夫出生于俄国西伯利亚的托玻尔斯克市。他父亲是位中学校长，在他出生后不久，父亲双眼因患白内障而失明了，不仅没有经济收入还要花销医疗费，一家的生活全仗着他母亲经营一个小玻璃厂而维持着。他13岁时，父亲患肺结核而病逝。但意志坚强的母亲不管生活多么困难，仍然坚持送他上学。门捷列夫很快就表现出了出众的记忆力和数学才能，但对语文、尤其是拉丁语很讨厌，成绩不算很好。他特别喜爱大自然，曾同他的中学老师一起作长途旅行，搜集了不少岩石、花卉和昆虫标本。中学时，他的学习成绩有了明显的提高。中学毕业后，由于当地没有好的大学，他母亲变卖了工厂，经过2千多公里的艰难跋涉，把他送到了莫斯科，但莫斯科大学拒绝了他的入学要求。母亲又和他来到首都彼得堡，但他还是没有能够进入彼得堡大学。好不容易，门捷列夫考上了医学外科学校。然而，当他第一次看到尸体时，就晕了过去。这样他只好又改变志愿，在父亲同学的帮助下，进入了彼得堡中央师范学院。在安排妥当小儿子的前途之后，这位伟大的母亲就去世了。门捷列夫没有辜负母亲的厚望，他在大学里刻苦学习，最终以第一名的成绩完成了学业。

由于超负荷的学习，他的身体状况出了一些问题。大学毕业后，在医生的建议下，他只好离开气候恶劣的彼得堡，先后到过几个地方担任中学教师。在教师的岗位上他并没有放松自己的学习和研究。1857年初，他以突出的成绩获得了彼得堡大学副博士学位，当时他年仅22岁。

1859年，他去法国和德国读化学研究生。在那里，他和本生（Robert Wilhelm Bunsen，1811--1899）一起工作。在两年的学习里，他集中精力研究物理化学。他运用物理学的方法来观察化学过程，又根据物质的某些物理性质来研究它的化学结构，这就使他探索元素间内在联系的基础更宽阔和坚实。在求学期间，他有幸参加了在德国举行的第一届国际化学家会议[U1]。会上，各国化学家的发言给了门捷列夫很大启迪，他后来谈到，“我的周期律的决定性时刻在1860年，我参加卡尔斯鲁厄代表大会。在会上我聆听了意大利化学家康尼查罗（Cannizzaro，1826—1910）的演讲，正是他发现的原子量给我的工作以必要的参考材料，而正是当时，一种元素的性质随原子量递增而呈现周期性变化的基本思想冲击了我”。

天才的直觉，完美的预言

1861年，门捷列夫回到彼得堡。1864年1月1日，门捷列夫正式就任彼得堡大学副教授。1865年底，他在通过博士论文答辩后，被委任为彼得堡大学首席教授。

怎样才能讲好课？首先当然是需要有好的教材，而当时的教材非常陈旧，流行的教科书几乎都是大量关于元素和物质的零散资料的杂乱堆积，无法适应新的教学要求。年轻的门捷列夫教授开始尝试编写能够反映当代化学发展水平的化学教科书，当他编写有关化学元素及其化合物性质的章节时遇到了难题：当时化学界发现的化学元素已达63种，按照什么次序排列它们的位置呢？

为了寻找元素的科学分类方法，他不得不研究有关元素之间的内在联系。研究某一学科的历史，是把握其发展进程的最好方法。门捷列夫深刻地认识到了这一点，他迈进了图书馆，在数不尽的卷帙中逐一整理以往人们研究化学元素分类的原始资料，……。

他在对283种物质逐个进行分析测定的基础上，重新测定了一些元素的原子量，而且他对前人关于元素间规律性的探索工作进行了细致的分析。他先后研究了根据元素对氧和氢的关系所作的分类、根据元素电化序所作的分类、根据原子价所进行的分类，特别研究了根据元素的综合性质所进行的元素分类。有比较才有鉴别，有分析才能做好综合。在分析根据元素综合性质而进行的元素分类后，他坚信原子量是元素的基本特征，同时发现性质相似的元素，它们的原子量并不相近。相反一些性质不同的元素，它们的原子量反而相差较小。他紧紧抓住原子量与元素性质之间的关系作为突破口，反复测试和不断思索。

门捷列夫知道英国化学家纽兰兹（John Alexander Reina Newlands ，1837～1898)在3年前，曾在英国皇家学院的会议上宣读过关于元素按原子量大小排列的论文。纽兰兹把元素排列与钢琴上的八音键相比较，结果他发现：按排列顺序往下数，每第八个元素的性质与第一个元素的性质十分近似，这使他自己大吃一惊。人们在听到他称作“八音律”的关于元素排列表的想法后，都嘲笑他这是“无稽之谈”。化学教授福斯特（Forst ,1835-1919）甚至质问他：“您为什么不按元素的第一个字母的排列顺序去研究元素呢？真是异想天开，竟然想到化学元素与钢琴的键相比较！”[U2]经受不了打击的纽兰兹放弃了化学研究，他的“八音律”也逐渐被人们遗忘了。

机敏的门捷列夫没有陷入同样的泥坑。他用63张卡片写下所有已知元素的名称和最重要的性质，把它们钉在实验室的墙上。然后，他小心地反复核对这些卡片，找出性质类似的元素，再把它们归到一排钉到墙上……久而久之，一种引人注目的规律逐渐清晰地呈现在门捷列夫眼前。

门捷列夫把63种元素排成7组，用锂（原子量为7）开头，接着是铍（9）、硼（11）、碳（12）、氮（14）、氧（16）和氟（19）；下一组开头是钠（23），

这个元素的物理和化学性质都非常接近锂，所以他把钠排在锂下面。接着他又依序排了5个元素，在这一组最后排下的是氯，在氟的下面，而氯的性质又正好与氟很相似。按照类似的方法，他把其他元素一一排列下去时，他注意到有一种奇妙的秩序出现了：每个元素在这张表上似乎都有它们自己“恰当”的位置。例如：非常活泼金属锂、钠、钾、铷、铯都归到了一个组里；而极其活泼的非金属氟、氯、溴、碘又都出现在第七组里。看来，元素的性质“是它们原子量的周期性函数”，即：按原子量大小顺序排列所知道的元素，元素的化学性质呈周期性变化，每7个元素重复一次。

1869年2月，门捷列夫终于在化学元素符号的排列中，发现了元素具有周期性变化的规律。到了年底，门捷列夫在积累了关于元素化学组成和性质的足够材料之后，编成了他的第一张元素周期表。他提出的元素周期律的两大基本要点是：第一，元素按照原子量的大小排列后，呈现出明显的周期性，第二，原子量的大小决定元素的特征。

门捷列夫在发表周期表的同时，将它们的副本寄给了欧洲各国的同行，使他们及时地了解他的工作。其实，与门捷列夫同时，德国化学家迈耶尔也于1869年以元素原子体积的变化为依据，制出了一个元素周期表，所开列的元素数目虽然少一些，但揭示的规律性却与门捷列夫相似。

不同的是，门捷列夫具有更非凡的胆量。他认为，不应该死板地把已知的所有63种元素一个接一个地排下去，这样一切将显得毫无秩序。当元素不适合表中的位置时，就像玩单人纸牌游戏一样，门捷列夫意识到，也许没有把所有的牌拿到手中——有些牌可能仍然在牌盒里。所以，如果有一个空缺需要具有某种特性的元素来填充（但无人知道这样的元素），他就在元素表中留一个空缺——它们还在纸牌盒里有待发现呢。如他认为在钙和钛之间“这里应该有一缺位元素，在以后发现它时，它的原子量比钛小，排在钛之前”。由于空位出现在硼的下面，所以这个暂时没有发现的元素，其性质一定类似于硼，因此他把预言中的元素取名为“类硼”。他还预言了“类铝”和“类硅”元素。像所有新生事物一样，门捷列夫周期表一开始也遭遇了怀疑和嘲笑，他的导师、被誉为“俄罗斯化学之父”的齐宁甚至训斥他：“到了干正事、在化学方面做些工作的时候了！”许多人都认为他是疯子，甚至有人轻蔑地把他当成俄国巫师。

1875年，法国化学家布瓦博德朗（Boisbaudran，1838—1912）在分析闪锌矿时，意外地发现了两条从未见过的紫色谱线，他肯定这是一种新的元素产生的。接着，他制得了纯净的这种新元素单质，这种物质最吸引人的地方是，你把这种金属放在手中，它就会自动熔化为液体，它的熔点仅有29.8℃。他在法国科学院《科学报告集》上公布了自己的新发现，并给出了有关这种新元素的性质。可是不久，他就收到了一封来自彼得堡的信，署名是门捷列夫。门捷列夫在信中以非常肯定的语气指出了布瓦博德朗关于新元素“类铝”性质测定的不准确性，尤其是比重（密度），不应是4.7，而应该在5.9到6.0之间。当时布瓦博德朗很疑惑，他明知自己是世界上唯一拥有这种元素单质的人，门捷列夫怎么会知道这种后来被称之为“镓”的元素的比重呢？布瓦博德朗并不相信门捷列夫的指正，但他非常谦虚谨慎。他重新仔细地做了一遍比重实验，结果确定是5.94，与门捷列夫1869年的预言完全一致。

镓的发现在科学界掀起了轩然大波。门捷列夫的名字迅速传遍全世界。这第一次的成功使科学家们倍受鼓舞，他们纷纷开始去寻找门捷列夫预言中的其余尚未发现的元素。欧洲的几十座实验室沸腾了，多少科学家都在一心向往着新元素的发现。

发现新元素的研究工作很快就取得节节胜利。1879年，瑞典化学家尼尔逊（L.F.Nilson，1840—1899）分离出了“类硼”——元素钪。1886年，德国化学家温格勒(C.A.Winkler，1838—1904)从银矿中分离出一种原子量为72.2、密度为5.47，氯化物比重为1.887的银白色单质，这种元素和门捷列夫十年前预言的“类硅”竟然吻合得如此一致，门捷列夫预言：“它的原子量可能是72，比重该是5.5，新元素的氯化物比重大约是1.9。”它在空气中加热后形成的氧化物与预计的一样；它的沸点也正好与门捷列夫预言的一致。

门捷列夫新理论的预言一再得到证实[Y3]，使得越来越多的科学人士逐渐认可了元素周期律。喜报纷至沓来，欧洲各国的大学和科学院纷纷授予门捷列夫种种荣誉称号。

门捷列夫元素周期律揭示了物质世界的一个秘密：那些看似互不相关的元素间存在着相互依存的关系，它们构成了一个完整的自然体系。从此，新元素的寻找，新物质、新材料的探索有了一条可遵循的规律，使化学研究从只限于对无数个别的零星事实作无规律的罗列中摆脱出来。

桀骜的性格，深沉的情感

门捷列夫除了发现元素周期律外，还研究过气体定律、溶液化学理论、气象学、石油工业、农业化学、无烟火药、度量衡，在这些领域里他都能辛勤劳动、大胆探索。他热爱文学艺术，每晚都阅读文艺作品。

1887年发生的日全食引起门捷列夫极大兴趣。他已经准备好跟航行家乘坐热气球进行观测，可是在热气球正要升空时天下起了雨，被打湿的热气球无法承载两个人。面临难得的机会，门捷列夫可不想放弃。他不顾朋友和家人的反对，请驾驶员下去，独自一人升空进行观测去了，而他其实连最起码的操纵方法都不知道。这个气球被风刮到很远的地方才降落下来，许多人替他捏了一把汗。

门捷列夫还曾公开抗议过沙皇迫害学生的行为，为此他两度被排斥在俄国科学院院部之外，尽管当时他已经是世界许多知名科学学会的委员。1890年，按照俄国教育部部长的指令，门捷列夫又被彼得堡大学解雇。

但是这位桀骜的科学家却永远也没有忘记他深深敬爱的母亲。他曾在一部有关溶液的著作的前言中写下了这样一段话：“这部著作是一个小儿子献给母亲的纪念品。为了使这个儿子能得到很好的科学教育，她曾经远离西伯利亚，花掉了最后的钱财，耗尽了最后的精力。临终时，她还说，‘不要幻想，要坚持工作，耐心地寻求科学的真理吧’。——我将永远记着母亲临终的遗言。”

1907年1月20日，这位享有世界盛誉的俄国化学家因心肌梗塞与世长辞。虽然他以一票之差未能获得诺贝尔化学奖，但他不朽的科学业绩已永远载入了科学史册。

阅读拓展与思考

1. 是不是只有科学家或者教授的孩子才能成为科学家？一个人的职业与其出身有必然联系吗？有人经过调查，认为不管是来自什么背景的家庭，科学家从小的好奇心、兴趣和后来的职业选择通常都得到了家庭成员的鼓励和支持，这些家庭成员有的是父亲，有的是母亲，有的是叔父，有的甚至是祖父母。门捷列夫求学经历中的母亲形象，很容易让人联想到中国古代“孟母三迁”中孟子的母亲。请查阅资料，谈谈你如何看待家庭教育对人一生发展的重要影响。

2.我们进行观察和实验的目的是为了检验或阐明某个理论，因此人们在观察过程中，只会记录下那些被认为与观察任务有关的现象。电磁波的发现者赫兹在测量无线电波的速度时，遇到了一个奇怪的问题，他发现无线电波的速度和光速有显著不同，他百思不得其解。他到死也没想到，这会与他实验室的大小有关。为什么赫兹在进行观察时，只记录各种仪表上的读数，在电路各关键部位有无火花发生、电路的各种量度等等，而不去记录诸如仪表的颜色、气候的状态、他鞋子大小的一些细节呢？因为指导赫兹进行观察研究的理论认为这些与他实验的目的没有关系。很不凑巧，他这次却遇到了一个非常重要的“显然无关的”细节——实验室的大小。

有人认为，科学总是处在不断发展的过程中，指导我们观察研究的理论不一定是完全的，甚至还可能是错误的，这也就造成我们在观察中可能会忽略某些暂时还不知晓的重要因素。门捷列夫之所以被其导师训诫为不务正业，是因为他把“元素的质量（原子量）”和“元素的性质”这两个看似风马牛不相及的东西联系到了一起，这对于当时的科学家来讲，简直是无稽之谈。但门捷列夫关于元素周期性变化的假说一再得到了证实，终于被大家认可，成为了科学事实。

那么，我们为了避免漏掉“实验室大小”这样的细节，是否就应该把所有的观察都毫无偏见地记录下来呢？这显然是不现实的，因为要想列全这些毫无目的的观察记录，我们将发现这会是一个无限长的清单。因此，许多人认为，要想找到事物之间的联系，我们必须在观察前依靠科学想象力预设一个理论，或者改进和扩展现有理论，然后再在观察过程中逐步验证，也就是说“理论先于观察”。你同意这种观点吗？查阅资料后，谈谈你对此的看法。

科学发展到今天，门捷列夫当初认为“元素的原子量是形成元素性质周期性变化的根本原因”的判断是否准确？现代周期律与门捷列夫周期律的理论基础是否相同？这对于你认识科学的发展有何帮助？

3、科学上的许多重大成就常常是归纳与演绎并用的结果，门捷列夫元素周期律是其中一个突出的范例。门捷列夫总结前人工作，对已知元素及其化合物的性质与原子量的关系进行更为广泛的归纳，最后得出规律，这是归纳的结果（由特殊到一般）。然而这个定律最后建立和被公认则应归功于演绎推理（由一般到特殊），门捷列夫运用演绎推理不仅解释了已经观察到的现象，而且预见了一些

当时尚未观察到的现象：多种元素原子量的不正确、未知元素的存在及其主要性质等等，这些都为后来的实验所证实。

许多人认为，对科学发展来说，仅仅有归纳与演绎这两种科学方法肯定是不够的。科学概念不会仅从数据中、从一定量的分析中自动地形成，“科学的发现很少甚至从未用纯粹的培根归纳法作出过”。当人们处理错综复杂的实验数据时，事实上不存在一条标志明确的、通向令人满意的理论的路，也不存在关于找到这样一条路的法则，存在的只是一些一般化的指南。科学家们常常要打破已有的法则、定式，运用想象和直觉，利用尝试性假设来探讨事物的本来面目，来想象这个世界是怎样运转的，然后再解决假设和理论如何能够接受现实的检验的问题。假设的提出、理论的建立就如同写诗、谱曲和设计摩天大厦一样具有创造性，但假设最终要成为科学理论，必须要得到实验验证。事实上，形成假设和验证假设的过程是科学的核心活动之一，也就是说“科学是逻辑与想象的融合”。查阅资料，谈谈你对此观点的看法。

[U1]本次会议由德国著名化学家凯库勒建议召开。由于当时分子论还没有建立，化合物的原子结构式五花八门，严重阻碍了国际化学界的交流和推进。会上争论十分激烈，大家各执一说，不肯让步。临到散会时，当时不太出名的康尼查罗提出“只要我们把分子和原子区别开来，那么，阿伏伽德罗的分子论就和已知事实毫无矛盾。”他有理有据的解释使原子——分子学说很快得到了普遍承认和应用，成为了自然科学发展的重要理论基础。

[U2]这个例子再一次表明，一个今天看来似乎难以行得通的科学思想，也许可以引导出明天的新见解，考虑欠周的嘲弄也许回过头来却是对嘲弄者本人的嘲弄。

[Y3]门捷列夫一直把原子量的变化视为元素周期律不可动摇的、唯一的基础。因为他们那个时代的科学家都信仰原子不可分（“原子”源于希腊文，本意是“不可分割的”），认为原子内部不会再有结构。

这种以原子量为基础建立起来的周期律在排布元素位置时曾遇到了一些无法解决的问题。当人们根据碲和碘的性质，发现其原子量与其在周期表中的排列顺序有反常时，门捷列夫不加思索的认为是原子量的测定有误。1894年，人们发现了元素氩（Ar），但在周期表中却无法找到位置，他则坚持认为这不是一种新元素，而是“密集的氮”N

，因为它不符合他的周期律。但后来的事实证明，

3

原子可分，门捷列夫在这几个元素位置排列问题上的坚持并不正确。