八探“元素立体周期律”

1、 八探“元素立体周期律” 李 中 圣1 刘长海2(黄河科技学院，河南 郑州 450015)摘 要：本文说明“元素立体周期律”与当今世界上出现的三种“三维周期表”的不同和特点。关键词：点、线、面、体 ；一维、二维、三维；中子数、质子数、中质和、中质差；元素平面周期律；元素立体周期律。中图分类号：O612 , 文献标示码：A ，文章编号：一、 元素周期律的“点、线、面、体”发展史自有人类以来，每时每刻人们都离不开对“元素”的研究，对“元素”的研究伴随人们的终生。在18世纪末之前人们对元素都是单个、单个“点”型的认识和研究的，是无可置疑的事实。19世纪上半叶对元素周期律的探索是线性“一维”的，也是无

2、可置疑的事实。19世纪下半叶到20世纪上半叶对元素周期律的探索是平面“二维”的，这更是无可置疑的事实。20世纪下半叶对元素周期律的探索是立体“三维”的。这就是元素周期律的“点、线、面、体”发展史。元素周期律研究内容的演变： “点”型单个元素（18世纪末之前，发现了33种元素：金、银、铜、铁、钴；锡、铅、锑、铋、钨；锰、镍、铂、锌、汞；砷、碳、硫、磷、钼等）元素线性周期律（19世纪上半叶，发现了“三素组”、“螺旋图”、“六元素表”、“八音律”等）元素周期律 元素平面周期律（19世纪下半叶，创立了门捷列耶夫元素周期表、核素图、核素分类等, 按“相对原子质量”排列，实质上是按“中质和”排列） 同位素

3、周期律（20世纪下半叶，引入“中子差”） 元素立体周期律核素周期律 （21世纪，引入“中心元素说”）二、 20世纪下半叶世界上出现的四种“三维周期表”目前世界上对“三维周期表”研究的国家，已有蔡善钰教授列举的加拿大、中国和刘长海研究员列举的美国、日本四个国家。在加拿大，1990年蒙特利尔Ahuntsic学院（奥浑特西克学院）的化学教授Fernando.Dufour（弗南多·杜福）创立了“三维的周期表”。他从1945年开始制作了多种立体模型，且不断地加以完善（如图1），这种三维周期表不同于普通二维周期表的表示形式。他把第一至第三短周期和以后的第四至第七长周期分别安置在不同的层面上，表示

4、出了周期律的基本对称性（见蔡善钰.教授的人造元素M，上海科学普及出版社,2006年2月）。1、黄河科技学院工学院 教授2、黄河科技学院科研处 研究员 图1 加拿大蒙特利尔学院的化学教授弗南多·杜福创立了“三维周期表”图2 美国南卡罗莱那州高等学校的“亚历山大元素的排列”在美国，南卡罗莱那州高等学校科技展览设计师Roy Alexander (若依·亚历山大)设计了“三维教具”的“亚历山大的元素排列”（如图2）。这种“亚历山大的元素排列”像一座连体三栋大楼，也是把第一至第三短周期和以后的第四至第七长周期，还有镧、锕两系分别安置在不同的大楼上，表示出了周期律的层次比邻和基本对称性

5、。在日本，京都大学专攻超导性的物理学者Yoshiteru Maeno（前野悦辉）教授发明了像个“笔筒式”的“圈簧式元素表”（如图3）。这种“圈簧式元素表”像个带一装饰品的“笔筒”，他是把“平面周期表”卷成圆筒，然后将第四至第七长周期拉成圆环，将镧、锕两系拉出在同一个圆心的一个偏心筒柱上。7图3 日本京都大学专攻超导性的物理学者Yoshiteru Maeno（前野悦辉）教授发明的像个“笔筒式”的“圈簧式元素表”在中国，李中圣教授构建了“元素立体周期律”（如图4）。蔡善钰教授在他著的人造元素第22页上说“自20世纪70年代开始对门捷列耶夫周期律进行了长期研究，认为元素“平面周期表”有其局限性，最大

6、的缺点是各元素的同位素集中放在同一格中，没有单独安放同位素的位置。在原来二维周期表有横列（X轴）和纵列（Y轴）基础上，增加了一个竖列（Z轴）。Z轴竖列按“中质差”N-P（中子数和质子数之差）自上而下，递增顺序排列。原“二维元素表”中的相对原子质量在同位素中由“中质和”N+P替代（中子数和质子数之和）。”（见蔡善钰著人造元素M22页，上海科学普及出版社,2006年）。图4 中国的李中圣教授构建的“元素立体周期律”示意图三、20世纪下半叶至今对元素周期律的探索是“三维”的论断笔者搜集世界各国的“元素周期表”有87幅，其中如上4幅属于“三维”范畴，其他80多幅仍是属于“平面周期表”或者是属于“平面周

7、期表”的变形。有的只是色彩不同，从不同的角度以色彩说明“平面周期表”的元素分类。以上介绍的加拿大、美国、日本、中国的4种“三维周期表”，最早的是加拿大蒙特利尔学院的化学教授弗南多·杜福创立的“三维周期表”，是在1945年，其不断完善也是在20世纪下半叶。其次中国李中圣教授的“元素立体周期律”也是在20世纪60年代和70年代开始提出和研究的。美国“亚历山大元素的排列”和日本Yoshiteru Maeno（前野悦辉）教授发明的“圈簧式元素表”，也都是在20世纪末或21世纪初出现的。相信也有可能出现其他“三维周期表”或模型，所以20世纪下半叶至今对元素周期律的探索是“三维”的论断是有根据的

8、。其主要原因像蔡善钰教授的在人造元素中所说“认为元素平面周期表有其局限性，最大的缺点是各元素的同位素集中放在同一格中，没有单独安放同位素的位置。”“平面周期表”根本无法涵盖数千个“同位元素”（简称同位素）。只有扩建周期表的“住宅区”，才可包罗、容纳已发现或待发现和未发现的所有同位素。四、“元素立体周期律”与当今世界上出现的三种“三维周期表”的不同“元素立体周期律”与加拿大蒙特利尔学院的化学教授弗南多·杜福创立的“三维周期表”，美国“亚历山大元素的排列”和日本Yoshiteru Maeno（前野悦辉）教授发明的“圈簧式元素表”，其共同点都是“三维”立体的。但是还有几点区别：在“元素平面

9、周期律”基础上增加新导出参数“中质差”。“元素立体周期律”是按“中质和”和“中质差”排列“同位元素的”，以往都是将“同位素”杂乱无章地堆放在“平面周期表”中。这和1869年门捷列耶夫发现“周期律”之前一样，元素也是杂乱无序的，是“元素平面周期律”将其归类。同样“元素立体周期律”对“同位素”进行归类。“元素立体周期律”着重同位素的三个使用参数。在单个、单个元素的“点”型研究时代，元素的参数也较多，有固体、液体、气体；有黑色、白色、有色；有无味、异味、怪味；参数是杂乱无章的，也就是没有参数。 “元素线性周期律”出现之后，元素的参数基本上是按相对原子质量顺序排列的，所以“元素线性周期律”的使用参数只

10、有一个“相对原子质量”。 “元素平面周期律” 发现之后，元素的基本和使用参数有“原子序数”和“相对原子质量”两个参数。现在是构建“元素立体周期律”，元素的原子序数是原子核的质子数，是保持不变的，因此“原子序数”仍是元素的基本参数之一。但是“元素立体周期律”中元素的相对原子质量没有了，取而代之的是“同位素相对原子质量”，因此将“同位素相对原子质量”用“中子数与质子数之和”（简称“中质和”）替代。这里还要说明两点：元素的“天然丰度”要更名为“地球丰度”。因为丰度是指某种同位素在地球上占有该元素的百分比。同位素（包括稳定和放射元素）在地球上占元素的比例，叫地球丰度，或太阳系丰度。不能叫银河系丰度，也

11、不可叫宇宙丰度，更不能叫天然丰度。而相对原子质量是“稳定同位元素”原子的相对质量数，是该元素的同位素结合地球丰度，在地球上质量的平均值。所以要用“中质和”替代“相对原子质量”。在其他星球和星际中，同位素的丰度是个变量，因此元素的“相对原子质量”是个变量，相对原子质量是由“中质和”结合“地球丰度”派生出来的。而“中质和”是不变的。因此“中质和”是同位素使用参数之二。“中质差”是同位素的第三个使用参数。所以“元素立体周期律”的三个参数是：原子序数（基本参数），中质和（导出参数）与中质差（导出参数）。其他参数也可从此三个使用参数推出。如中子数是“原子序数+中质差” 或“中质和原子序数”。“元素立体周

12、期律”理论还包括“中心同位素说”以及“中心同位素”是衰变类型的转折点理论。解决了“丰中子”和“缺中子”、“远离核”等含混不清的概念（“元素立体周期律”理论还包括“半衰频”、“氕氘惰结团理论”等内容）。五、“元素立体周期律”的特点从加拿大蒙特利尔学院的化学教弗南多·杜福创立的“三维周期表”，美国“亚历山大元素的排列”和日本Yoshiteru Maeno（前野悦辉）教授发明的“圈簧式元素表”三个“三维周期表”中，不难看出，可以从0类和I类两行元素之间分割开来，这样又回到了“平面周期表”。同样将“平面周期表”卷起来，将0类和I类两行元素对接起来，加以整理就成为“三维周期表”。另外，此三种“

13、三维周期表”，还没有明确地将同位素安放在各自的位置。“元素立体周期律”具有如下特点：“元素立体周期律”按“中心同位素说”，将“中心同位素”作为元素的“全权代表”列出了“元素立体周期律”。这样一来，所有的同位素，包括已发现、待发现以及未发现的同位素，都有其归宿。“排排座，吃果果”，各就各位（尚未发现的同位素也留有空位）。“元素立体周期律”像个“螺旋塔式核素周期模型”，是按原子序数排列，螺周长是“中质和”，螺距是电子壳层数，螺半径是“中质差”。如果将“螺旋塔式核素周期模型”从0类和I类两行元素之间分割开来，也不是“平面的”，而是“曲面的”。这样一来，有些“牵强附会”，岂不成了“曲面周期表”，因为还

14、要表现出“中质差”参数。六、致谢我国原子能科学研究院研究员蔡善钰教授的大作人造元素新近出版，并赠送于笔者一本。该书属于当代科学前沿领域专著。得到诺贝尔化学奖获得者，曾任美国化学学会主席，“锕系”理论奠基人，106号元素钅喜（106Sg）被冠名者西博格)和我国放射化学先辈萧伦院士大力支持并允作序，因他们于1999年、2000年先后辞世，序言由西博西博格、二位序言作者和蔡善钰教授的合影。由王方定院士、张焕乔院士主审。该书中第22页、第376页、第406页收编、引用、介绍了笔者的论点：“我国李中圣潜心教学之余自20世纪70年代开始对门捷列耶夫周期律进行了长期研究，认为元素“平面周期表”有其局限性，最

15、大缺点是各元素的同位素集中放在同一格位置中，没有一个单独安放同位素的位置。因此提出了“元素立体周期表”的设想。”并介绍了：在原来二维周期表有横列（X轴）和纵列（Y轴）基础上，增加了一个竖（Z轴）。Z轴竖列按“中质差”N-P（中子数和质子数之差）自上而下，递增顺序排列。原“二维元素表”中的相对原子质量在同位素中由“中质和”N+P替代（中子数和质子数之和）。我由衷地感谢蔡善钰教授第一次向世人推荐“中质和”和“中质差”的概念。在大作人造元素的参考文献中列出我的一篇论文；在人名索引中列出我的名字，紧挨诺贝尔奖获得者李政道其后。使笔者诚惶诚恐，衷心感谢，是莫大的鞭策和鼓励。参考文献1 .格林卡.普通化学

16、M. 殷恭宽，张志炳等译.北京：高等教育出版社，19562 戴能雄等著.亚原子物理学手册M.北京：科学出版社，19953 加Fernando.Dufour,美三维的周期表J.美国:Science(科学),1998,2月(中文版)4 肖伦主编.放射性同位素技术M.北京：原子能出版社,20005 D.E.BergeronScience,307,231(2005)6 蔡善钰. 人造元素M.上海科学普及出版社,20067 李中圣. 元素立体周期律初探J.河南科学，2001，19（1）：53558 李中圣. 再探元素立体周期律J.河南科学，2002，20（2）：1471519 李中圣. 三探元素立体周期

17、律(报告)A.河南省化学学会2002年学术年会论文集C(编号G07)10 李中圣. 关于元素立体周期律的探讨J.同位素，2002，15（4）：24324611 李中圣. 四探元素立体周期律J.中州大学，2003，20（2）：104、12812 李中圣. 五探元素立体周期律J.科技动态，2002，（9）：28、2913 李中圣. 六探元素立体周期律J.中州大学，2004，21（1）：12512814 李中圣. 七探元素立体周期律J.北京：中国当代思想宝库，2004，11（8）：69069515 李中圣，刘长海.再论元素周期律的“点、线、面、体”发展史J.科技动态，2006，（8）：14、15.I

18、nvestigate the " Stereoscopic Periodic law in chemical elements" for the eighth timeLI Zhong-sheng1，Liu Chang-hai2(Huanghe Science & Technology Institute，Zhengzhou Henan 450015)Abstract: This article discuss the elucidation and characteristics of the " Stereoscopic periodic law in chemical elements&