2019年国际化学元素周期表年

2019年是什么年？

“猪年”、“己亥年”？春节还没到呢……“水逆之年”？出门看黄历也比这个靠谱吧……

不管专业是不是化学，2019年其实都与各位读者有莫大联系，因为2019年是俄国化学家门捷列夫（Dmitry Ivanovich Mendeleev）发明元素周期表150周年，也被联合国定为“国际化学元素周期表年（the International Year of the Periodic Table of Chemical Elements）”，简称“IYPT 2019”。^[1-2] 国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）还与多个学会机构合作，建立相关网站，一系列纪念和庆祝活动已经在路上。^[2-3]

图片来源：IUPAC ^[2]

Nature Chemistry 杂志2019年1月刊的封面，纪念元素周期表诞生150周年。

说起元素周期表，上中学时背诵的“诗”——“氢氦锂铍硼，碳氮氧氟氖，钠镁铝硅磷，硫氯氩钾钙”——有没有自动在脑中开启循环播放模式？当时有没有一面背一面画圈圈诅咒那个俄国大胡子化学家？今天文章的主角，却不是数次与诺贝尔奖擦肩而过的门捷列夫，而是另外一位与元素周期表颇有渊源的“业余”科学家Charles Janet。

传奇“民科”的彪悍人生

以今天的标准看，Janet可谓是个典型的“民科”（尽管这个称谓在当下因为某些民间科学爱好者的恣意妄为而变得颇有贬义），他在当时的主要身份是工程师和企业家，并不是主流物理界或化学界的一份子，而且他的研究方法也跟当时的主流科学界相去甚远。但Janet在科学史上最为人知的成就却恰恰是他通过“野路子”编制的左阶元素周期表（left-step periodic table）。要知道，除了门捷列夫的经典元素周期表之外，还有很多人不断提出各种类型的周期表，数目达百余种。

左阶周期表，从左边看起来就像从下到上的一部楼梯。图片来源：IPGP ^[4]

左阶周期表的一大特点同时也是优点就是按照元素的电子构型排列，即每一个周期中从左到右是按照f-d-p-s的顺序。尽管现在左阶周期表被称作Janet式周期表，但是这种横排形式并非Janet的初衷，他本人其实喜欢的是更显奇葩的螺旋形周期表。^[5] 螺旋形周期表以及Janet在科学上的其他贡献后面的章节会有详述，让我们先来回顾一下Janet彪悍的学霸人生。

Charles Janet于1849年6月15日出生在巴黎，毕业于巴黎中央工艺制造学院（École centrale des arts et manufactures），也就是现在著名的巴黎中央理工学院（L'École centrale Paris）的前身，是法国最好的工程师学校之一。随后Janet又进入了巴黎大学学习，获得自然科学博士学位。

在28岁的时候，也就是1877年，Janet跟Dupont毛刷厂老板Alphonse Dupont的女儿Berthe Dupont结婚，并且随她搬到了巴黎以北的Beauvais，也就是工厂所在的地方。Janet的老丈人杜老板跟美国赫赫有名的杜邦（du Pont）家族多年前应该是本家，Dupont和du Pont可以说是同一个姓拼写不同，意思都是一样的，桥上来的人（"from the bridge"）。^[5]

成立于1845年的Dupont毛刷厂，也是现在La Brosse et Dupont的前身，曾一度是LVMH的子公司。图片来源于网络

对于年轻的Janet而言，生活绝对不只是眼前入赘豪门的苟且，还有赚钱和科研。Janet加入老丈人毛刷厂从一开始当工程师干起，后来又到了管理层，毛刷厂的生意也日渐兴隆并且利润颇丰，不止驰名法国，还一度享誉世界，Beauvais甚至曾经被称为世界的“毛刷之都”。Janet为毛刷厂贡献了将近五十年，直到75岁时才从董事会主席的位置上退休。不过赚钱大概只是“成功人士”Janet的一个小目标，但科研不一样，那才是他的终极追求。

说到这里，Janet的雄厚经济基础就先把他和绝大多数民科区分开来了。在Henry Cavendish那个时代，科学是很多有钱人玩票的时髦玩意，而在Janet的时代，随着科学的发展和大学功能的演化，职业科学家已经成了常态。现如今“民科”的典型形象多是穷困潦倒却依然不减对科学的热情，其中指望着一鸣惊人然后名利双收的不少，当然也不是没有非典型的，比如日本皇宫里住的那位Akihito，还有在国内高校捐盖不少大楼的廖凯原先生。Akihito这些年来在主流学术期刊上发表了不少论文，对于一个有钱有闲的科学票友算是很不错了，至于廖先生的成果，感兴趣的可以自行了解。

Janet位于Voisinlieu的豪宅，1972年被拆除用于建造电信交换中心。图片来源于网络

不管怎么样，工程师出身的Janet在有钱以后不仅没有过上醉生梦死的日子，而且还把自己五十四个房间的豪宅用作科学研究和发明创造。在他的业余科学生涯中，Janet涉猎十分广泛，除了化学元素之外，还包括昆虫学、古生物学、地质学以及植物生物学。作为一个经常需要绘制各类标本、地质结构的科学爱好者，Janet的绘图功底十分了得。现有Janet出版的文献中保留了超过400幅精美的生物和地质绘图（注意！是绘图，而不是照片！其中至少18幅被他人剽窃过！)。Janet完全可以称得上是他那个时代的“文艺复兴大师”（Renaissance man），而这岂能是大多数介绍他的资料中一个工程师头衔就一笔带过的？

Janet的标本绘图作品。图片来源: Arthropod Struct. Dev.^[6]

正是因为对生物学的兴趣，Janet共收藏了超过五万件的化石和生物标本，足足装满了五百七十个。但可惜的是，Janet的七个子女中没有一个人继承了他的兴趣，以至于在他去世后这批标本就大祸临头了，其中的两万件不翼而飞。

Janet生前发表的100多篇论文中，昆虫学的研究占了很大一部分，而社会昆虫也是Janet的一大兴趣之一。Janet还发明了玻璃蚁巢，现在很多人用玻璃蚁巢来养宠物蚂蚁。但是作为科学研究的设备，玻璃蚁巢可以最大程度上避免干扰蚂蚁的正常生活，这也算是“非侵入式”研究手段的先驱了吧。

Janet的玻璃蚁巢设计图。图片来源于网络

除了科学兴趣之外，Janet还称得上是一个社会活动家。他发表过的论文中还有讨论跨海隧道设计和社会福利住房等话题。他在Beauvais主持的社会福利住房项目还参展了1897年在布鲁塞尔举行的国际工人住房大会，这些福利住房的标准远高于当时工人阶级的平均住房水平，Janet又一次远远走在了历史趋势之前。

目前提及Janet的科学著作和论文中，几乎无一例外都是和他的周期表一起出现的，而Janet本人也往往只被冠以“法国工程师”的头衔。恐怕就连著述颇丰、兴趣广泛的Janet本人有生之年也从来没有想过今后自己在科学史上的地位，会由自己生命最后八年中发表的六篇化学论文奠定。

预测中子和核聚变

虽然在整个可观测的宇宙中，绝大多数物质都处于核聚变的状态，但是人类发现和开始理解核聚变反应至今不过一百年。一般认为澳大利亚物理学家Mark Oliphant和Ernest Rutherford等在1932年在加速器上第一次实现了人工聚变。而美国物理学家Hans Bethe在1939年提出了基于质子-质子链反应的恒星核合成理论，揭示了恒星能长时间释放能量的原因，也因此获得1967年的诺贝尔物理学奖。

不过鲜为人知的是，同一时代的Charles Janet在这些发现之前就已经预测了氢同位素间的聚变反应以及氦-3的存在。

1927年至1930年的4年间，Janet一共表发表六篇关于原子核结构和元素周期表的论文。在包括最后一篇在内的每篇论文中，Janet都会在结尾简单提及目前的工作进展和下一篇论文的主要内容，就好像现在写连载的网络写手的“挖坑”行为。不过Janet挖坑的目的并非是为了留下悬念或者吊人胃口，在发表这一系列中第一篇文章的1927年，Janet已经是77岁高龄的老人了，显然他是担心年事已高的自己随时都有可能失去发表下一篇文章的机会。而在1932年初去世的Janet，确实也最终没能填上1930年的坑。

老年的Charles Janet。图片来源：Wikipedia ^[7]

Janet在头两篇文章中提出了自己的原子核结构模型，即由包含粒子的多个同心圆形成的碟状结构。他认为四个同心圆能够形成“原同位素”（protero-isotopes），也就是一种元素最轻的同位素，而更重的同位素则是因为核中还有额外的以“质子-电子对”（proton-electron pair）形式存在的电中性单一粒子。这个“质子-电子对”是不是看起来很眼熟？其实它就是原始的中子概念，而证实中子存在的实验工作则是5年后的1932年由英国物理学家James Chadwick完成的（当然此前很长一段时间，科学家们也通过更科学的方法预测了中子的存在）。

在这两篇文章中，Janet引用了Ernest Rutherford和Henry Moseley的工作，也就是说他已经对当时原子核和原子序数的相关知识有所了解。但是Janet的核心研究方法即使以当时的科学水平来看也是相当初级和原始的，他主要依靠自己的算术和几何直觉来研究元素结构。Janet认为“原同位素”的原子量应该严格按照规整的整数数列排布，也正因此他完全无视自己计算结果中的大多数“原同位素”是根本不存在的。

在两年后的第五篇文章中，Janet抛弃了之前的“原同位素”理论，转而提出了一个新的“核内-核周”模型。在这个新的模型中，Janet认为“核内”系统由同样数目的质子和中性的“质子-电子对”组成，而“核周”系统则只有形成重同位素所需要的“质子-电子对”。这个模型比起之前原子量按整数列递进的排列先进了很多，也由于“核内”系统的质子和“质子-电子对”的数目相同，等于是间接按照原子序数排列，形式上已经跟现在的元素周期律一致了。

现代的质子–质子链聚变反应模型。图片来源：Wikipedia ^[8]

从当时的科学水平来看，这些自然算不得什么高明的理论，但是它们正是Janet的一些超前预测的基础。在提出“原同位素”概念的时候，Janet就设想质子和“核内电子”能够组成氘、α粒子（氦核）以及氦-3，并且认为这些粒子是恒星中创造新原子核的基本组成单元，而这还要比前面提到的Bethe诺奖级别的恒星核合成理论正式提出还要早了几年。

而当Janet写到第六篇文章的时候，他提出了氘核的原子量为2.000，而两个原子量为1.0078的质子在合成氘核的过程中的质量损失以光子的形式释放，这个过程跟我们现在已知的质子-质子聚变反应十分相似，当然现在我们知道这个反应过程中还会释放出正电子和中微子，但是Janet设想说明他当时已经考虑到了核反应中的放射性问题。

在恒星核合成的问题上，Janet认为物质起源于“元子（initium）”，“元子”在恒星升温的过程中能够不断凝聚结合成重元素，当恒星温度过高的时候，重元素又会分解，直到恒星温度降低时再重组成重元素。而这个过程已经具备了日后大爆炸核合成理论的雏形，尽管细节还相去甚远，但是大方向是没有问题的。

说到这里，有必要再强调一下Janet的研究方法无非是基于非常朴素的算术方法和直觉，而基于此他不仅恰好预测了日后才被证实的粒子和原子核，同时也形成了尽管初级但却基本正确的恒星核反应理论。

“奇葩”的螺旋周期表与反物质

Janet的元素周期表研究跟原子核结构研究是同步进行的，期间他设计基于螺旋结构的元素排列，前后一共有三个版本。第一个版本主要是用来阐述他的“原同位素”学说，他还花费很大篇幅去解释自己的周期表设计跟门捷列夫的版本是完全兼容的。在最终版本里，Janet做了一个最有争议的改动，就是把氢和氦分别放到锂和铍的上方，而之前的两个版本中，氦一直是惰性气体的第一个元素，尽管担心把氦放在碱土金属的首位这会遭到别人的反对，他还是坚持认为这种排列更为合理，大概主要因为是这样不会破坏数学上的规整性。

Janet的第三版螺旋周期表，通过一系列几何变换可以变成左阶周期表。图片来源：Found. Chem. ^[5]

跟之前提到的一样，Janet设计螺旋周期表也是基于非常朴素的算术和几何原理，他认为“化学元素的排列应该是1到92连续线性的整数数列”，同时他还坚信“真正的周期律应该能够形成几何上可以明确定义的螺旋”。但对于这一点门捷列夫一直是拒绝的，尽管门捷列夫也认为“元素序列应该是不间断的，并且在某种程度上对应一种螺旋函数”，但是作为周期表的表达形式，门捷列夫则觉得螺旋的方程表达式和数量跟周期律没有任何联系。

Janet的螺旋周期表还有相应的几何变换非常复杂，没有必要展开详述，这里接下来只讨论一下螺旋设计对后续发现的新元素的“迷之准确预测”。最值得一提的应该是Janet对锕系和锕系后元素的分类。早在1927年，Janet在考虑元素排布的时候，就直接将锕系元素放在镧系元素的下面，然后在主表中接着从93号元素开始一直到120号元素，而大家要知道，学术界普遍认可的锕系和锕系后元素概念是在1944年才由美国化学家Glenn Seaborg提出。

1951年Glenn Seaborg因为在超铀元素研究的贡献获得诺贝尔化学奖。图片来源：Wikipedia^[9]

出于对数学规整性近乎强迫症的执着，Janet最为满意能够形成各种各样诡异数列的第三个版本周期表设计。瑞典物理学家Johannes Rydberg在1914年观察到稀有气体的原子数可以按照2 × (1² + 2² + 2² + 3² + 3² + 4²) 这个序列展开，即2、10、18、36、54、86。这激发了Janet寻求更完美数列的追求，也正因此他不顾化学性质的巨大差异，将氦移到了碱土金属中铍的上面，并且在首尾又分别添加了原子序数为0和120的两个元素，这样就能得到如下这款比Rydberg发现的更为炫酷的数列。

第一个0可认为是“负零”，详见下面讨论。

现在我们知道周期表上存在这种规整数列排布，是量子数在起作用，却跟当年的Janet的算数道路殊途同归了。Janet又指出在这个0到120的“碱土金属族”中，相邻原子序数之差是2、2、8、8、18、18、32、32（其实做差之后就是2n²），这个差值序列之间再做差，就得了到一个新的数列：2、0、6、0、10、0、14，在螺旋周期表上相对应的四段曲线则分别是：

由0号元素开始的第一段包含2个元素的曲线，即周期表上第1曲线

由4号元素开始的第一段包含6个元素的曲线，即周期表上第3曲线

由20号元素开始的第一段包含10个元素的曲线，即周期表上第7曲线

由56号元素开始的第一段包含两14元素的曲线，即周期表上第13曲线

依此类推，第120号元素应该是第一段包含18个元素的曲线中第一个元素，也就是周期表上的第21曲线。但是同时1、3、7、13又是隔一个跳过的素数数列[1-(2)-3-(5)-7-(11)-13]，这样推算下来应该是17后面的素数19，就和第21曲线矛盾了。得到这样的结果后，Janet坚信"算数特征是元素构造的基本准则"，因此直接任性的宣布造成这个矛盾的原因是根本不可能有比120号元素更重（可能是原子序数更高？）的元素了。

这个论断可以说是Janet碰壁之后的无奈之举，但是根据我们现有的核物理知识，这个论断却基本上是正确的，因为目前99号锿元素以后的超铀元素均为自然界中不存在的（或者更准确地说是尚未发现的）人工合成元素，而且半衰期都非常短。尽管“稳定岛”理论预测了一些可能稳定存在的超重元素，但是现在还没有合成出120号或者之后的元素，从这个意义上说认为它们“不存在”也是站得住脚的。

在Janet添加0号元素之前，已经有好几个人把中子或者原始意义上的中子放在周期表上了，比如德国化学家Andreas von Antropoff就把中子作为原子的neutronium放到了稀有气体氦的上面（注意Janet周期表的“氦”是碱土金属族的）。但不管中子还是0号元素现在都不是重点了，重点在于Janet提到0号元素很有可能可以将现有的周期表和对应的由负原子序数元素构成的周期表相互连接起来！尽管我们现在知道“反物质”的存在，并且反中子（anti-neutron）可以看作负0号元素，在此原则之上可以构造一个跟现有元素系统互为“镜像”的反物质元素系统，但在当时这绝不是一般的脑洞能够想到的主意。就这样，可以说没有任何近代物理知识的Janet，和Paul Dirac、 Hermann Weyl还有J. Robert Oppenheimer这些近代物理大师一道提出了“反物质”的概念。

事实上，Janet在他的第四篇文章中就已经引用了Bohr的一些关于电子构型的工作，并用自己的模型做了验证。尽管Janet不懂量子力学，他用纯算术方法发现了电子排布中的主量子数（n）和角量子数（l）的关系，也就是（n+l）规则，现在在很多大学化学的教材上还能看到类似的电子填充图。而这个（n+l）规则现在通常认为是由德国物理学家Erwin Madelung发现的，但其实Janet的论文比Madelung的早了足足六年。

Janet的电子填充图^[5] 跟如今使用的电子填充图基本一致。

在当时，Janet已经发现了他设计的周期表中量子数和原子序数的关系。对于主量子数n来说，他认为 n = N_p - N_n + 1，其中N_p是周期序数，从上至下为1到8，而N_n是曲线序数，从右至左为1到4，等于角量子数l + 1，这样的话就得到了周期序数N_p = n + N_n - 1 = n + l 的Madelung表述。

Janet的这些研究结果直到过了将近一百年的今天才真正得到了整理，也得以让世人了解到他的很多脑洞大开的超前想法。近一个世纪以来这些成果都无人问津，除了前面提到Janet不混科学圈的原因，还有一方面是因为这些论文都是他在本地出版印刷的，流通范围很小，很有可能在法国主流科学界都没有引起重视；另一方面则是因为这些论文都是用法语写成的，而当时英语已经变成了的科学通用语言。不禁让人感慨就在此两百多年前，Isaac Newton的巨著《自然哲学的数学原理（Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica）》还是用拉丁文写就的，一百多年前Humphry Davy还在用拉丁文命名新元素，倘若当时的学术语言还是拉丁文，Janet的研究可能会得到更多关注吧。

参考资料：

1. 2019 is proclaimed the International Year of the Periodic Table of Chemical Elements

https://en.unesco.org/news/2019-proclaimed-international-year-periodic-table-chemical-elements

2. THE UNITED NATIONS PROCLAIMS THE INTERNATIONAL YEAR OF THE PERIODIC TABLE OF CHEMICAL ELEMENTS

https://iupac.org/united-nations-proclaims-international-year-periodic-table-chemical-elements/

3.https://www.iypt2019.org/

4.http://www.ipgp.fr/~tarantola/Files/Professional/Mendeleev/

5. Charles Janet: unrecognized genius of the periodic system. Found. Chem., 2010, 12, 5–15, DOI: 10.1007/s10698-008-9062-5

6. Social insect histology from the nineteenth century: The magnificent pioneer sections of Charles Janet. Arthropod Struct. Dev., 2008, 37, 163-167, DOI: 10.1016/j.asd.2007.07.002

Volume 37, Issue 3, May 2008, Pages 163-167

7.https://en.wikipedia.org/wiki/Charles_Janet

8.https://en.wikipedia.org/wiki/Proton%E2%80%93proton_chain_reaction

9.https://en.wikipedia.org/wiki/Glenn_T._Seaborg