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文化

3月6日,我们都背过的那张表格,150岁生日快乐!

蔡一能2019-03-06 06:00:00

《历史上的今天》是好奇心日报的新栏目,致力于让你了解更多。

今天是 2019 年 3 月 6 日,这一年的第 65 天。

正如物理学有了牛顿的《自然哲学的数学原理》,150 年前,化学也迎来了划时代的作品。它不是一本书,而是几条简明的法则,以及一张为无数人熟知的表格。

1869 年 3 月 6 日,35 岁的化学家门捷列夫(Dmitri Mendeleev)向俄罗斯化学学会展示了一种新的元素分类方法。简单来说,他按原子量(约等于今天的相对原子质量)的大小来排列元素,发现他们的化学性质呈现出周期性的变化,性质相似的元素可以被归入同一组别。依照此种分类方法,门捷列夫将已知的 60 多种元素排进一张表格,发表于学术期刊。

今人看来,元素周期表只是描述了一种常识性的事实。但在 19 世纪,这张表格却伴随着一场思想革命。

从铁器时代开始,人类已经和“元素”打了几千年的交道。人类学会了提炼单质、生产化合物,给几十种元素取了名字,赋予其生产、美学上的意义,却尚未形成关于元素的现代科学。用门捷列夫本人的话说

“在元素周期律问世之前,化学元素(对人们来说)仅仅是大自然中碎片式的、偶然现身的事实。周期律让我们第一次得以感知尚未发现的元素,这些元素在既有化学研究的视野中都遥不可及。”

德米特里·门捷列夫,俄国化学家

的确,一旦发现了周期律,人们不仅可以将那些“熟悉的陌生人”安排进一个秩序井然的世界,还可以推断出新的化学元素。门捷列夫的表格中留出了几个空位,根据他的理论,这些空位属于几种带有特定化学性质、却尚不为人所知的新元素。果然,人们后来发现了锗、镓和钪,其原子量和密度正如门捷列夫所预言,从而证实了周期律的可靠性。

既然元素并非一个个孤岛,而是彼此相连,下一个问题就是这种联系因何而产生。门捷列夫认为,是原子量的大小决定了元素的性质。但原子量又是什么?顺着这个思路,人们对原子内部的世界越来越有兴趣。

1911 年,卢瑟福发现了原子核,证实其带有原子的大部分质量和正电荷;几年后,他又发现了原子核内的质子。此后,科学家提出了电子在原子核外的轨道式分布,为化学键和化学反应提供了更为成熟的解释。

关于原子的认知革命不仅开启了量子力学的大门,影响了整个 20 世纪的科学、技术与哲学,也反过来改变了元素周期表。人们逐渐意识到,相较于原子量,更本质的是质子数,因此需要调整元素周期表的制表规则。加上稀有气体等新元素的发现,到 20 世纪上半叶,元素周期表逐渐变成了我们今天熟悉的样子:氢氦锂铍硼,碳氮氧氟氖……

过去 150 年,不断有新成员坐上元素周期表预留的空位,其中一些在地球上很难找到,需要在实验室中合成。到 2016 年,元素周期表的前 7 行、前 118 个空格已被全部填满,相应地,也多了不少专用于命名新元素的汉字。

科学家正在研究一个令人兴奋的问题:会有第 119 号元素吗?

按照现有模型,如果第 119 号元素存在,它将开启元素周期表的第 8 周期;如果第 121 号元素存在,它的核外电子将占据全新的 g 轨道。此时,门捷列夫发现的周期律或许会不再适用。事实上,科学家已经注意到,镧系元素的现有排序与化学性质并不严格对应,引来重新设计元素周期表的呼声。

更“重”的元素还可能冲击 20 世纪奠定的物理学。根据许多物理学家的演算,当原子核内的质子数超过某个极限,核外电子的运动速度会超过光速,打破狭义相对论。一旦现实推翻了理论上的周期表终点,相关演算的理论依据将不得不接受彻底检讨——这并非没有可能。

(元素周期表诞生 150 周年之际,《科学》(Science)杂志制作了一个交互网页,你可以用它来直观地了解这张表格的变迁)

此外还有:

发现关岛

1521 年的今天,葡萄牙航海家麦哲伦(Ferdinand Magellan)率领西班牙国王派出的船队,先后抵达太平洋上的马里亚纳群岛和关岛。在关岛,麦哲伦看到了当地人使用的快速漂浮的三角帆,另一名船员则记述称,岛上的居民闯进了船队,偷走了许多物品。

麦哲伦的环球航行还在持续,不久抵达了菲律宾,最终死于当地的一场冲突。在关岛生活了大约 4000 年的原住民,则在 1565 年正式迎来了西班牙人的统治。美西战争后,西班牙将关岛割让给美国,关岛至今仍是美国在西太平洋最重要的军事基地之一。

阿司匹林

1899 年的今天,德国制药公司拜耳(Bayer)为医用乙酰水杨酸——阿司匹林成功注册专利,将其销往全球。它很快成了世界上最流行的抗炎、退烧和止痛药物。

人类很早就开始用含有水杨酸的植物提取物来治病。1897 年,拜耳公司开始研制乙酰水杨酸,2 年后即实现量产,从全球市场获得了丰厚利润。尽管乙酰氨基酚(扑热息痛)和布洛芬后来居上,分走了阿司匹林的市场,近半个世纪的研究却发现了阿司匹林的更多用途。目前,全世界每年使用的阿司匹林估计有 44000 吨之多。

自从阿司匹林(aspirin)专利到期,生产这款药品的制药商已远不止拜耳一家。不过,拜耳依然在不少国家持有“阿司匹林”(Aspirin)的商标。

斯科特案

1857 年的今天,美国最高法院以 7:2 的结果对斯科特诉桑福德案(Dred Scott v. Sandford)作出判决,驳回原告——黑奴斯科特获得自由的请求。时值美国因奴隶制存废问题陷入分裂,本案判决备受关注。

由首席大法官托尼(Roger Taney)撰写的法庭意见认为,奴隶的身份只受州法律的支配,因此,斯科特用来主张自由权的国会相关法案违宪而无效。而在宪法层面,即便是自由的奴隶也不享有公民权利,因为:

“一个多世纪以来,他们一直被当做劣种人,完全不适宜同白种人交往,无论是在社会关系中,还是在政治关系中;由于他们是劣种人,因而没有白种人必须予以尊重的权利;黑人可以被公正合法的贬为奴隶,为白人的利益服务。……《独立宣言》并没有打算把当奴隶的非洲人包括在内,制定并通过该宣言的人民中没有他们的份,这一点是清楚得没有争论余地的……”

斯科特案的判决激化了蓄奴与废奴阵营的分歧,成为美国南北战争的导火索之一。它也严重削弱了最高法院的道德权威。直到战争结束后,第十三到第十五修正案相继通过,美国才正式确认了黑人的公民权利。而斯科特早已于 1858 年病逝,去世前一年,他从奴隶主手中获得了自由身份。


题图来自:Ahazard.sciencewriter / Wikipedia

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