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《元素》作者：阿西莫夫【完结】 >
元素.txt
这些产物中出现）。三位橡树岭国家实验室的化学家——马林斯
基、格伦丁宁及科里尔——于1945年分离出61号元素。他们把它
命名为钷，是根据盗取太阳之火给人类的希腊半神半人的普罗米
修斯来命名的，因为61号元素是从原子炉内太阳般的烈火中盗取
出来的。
至此，元素一览表从1～92终于完整了。但是从某种意义上
说最艰巨的历程才刚刚开始。因为科学家已经打破了周期表的界
限，铀不再是最后一个元素了。
超铀元素
对于原子序数超过铀的元素——超铀元素——的研究早在
1934年就开始了。费密在意大利以一种新发现的叫做中子（见第
七章）的亚原子粒子来轰击元素时，常把该元素转变成原子序数
比它大1的元素。难道铀能造成93号元素——一种完全人工合成
的元素？当时人们认为这种元素在自然界中是不存在的。费密小
组继续以中子轰击铀并得到他们认为确实是93号元素的产物，称
之为铀X。
1938年，费密因为研究中子轰击而获得诺贝尔物理学奖。当
时，他对这项发现的真正意义，或这项发现对人类将会产生的后
果，甚至连想也没有想过。像另一位意大利人哥伦布一样，他所
发现的虽然不是他本来想找的东西，但重要性却远远超过他当时
所能想象到的。
在这里只要指出一点就够了，人们在错误的道路上进行了一
系列追索之后，终于发现费密所做的并不是创造了一种新元素，
而是把铀原子分裂成两个大致相等的部分。当物理学家在1940年
又着手研究这个过程时，93号元素的出现几乎可说是实验的偶然
结果。以中子轰击铀得到的混合物元素中，有一种起初无法辨认
的元素，使加利福尼亚大学的麦克米伦渐渐明白，也许核裂变放
出来的中子把铀原子转变成原子序数更大的元素，这种推测正如
费密所希望发生的一样，麦克米伦和艾贝尔森后来证明这个未鉴
定的元素，事实上就是93号元素。证实这个元素件在的证据是它
在放射性方面所具有的特点，这是后来新发现的所有元素的共同
情况。
麦克米伦认为另一个超铀元素也许与93号元素混在一块。化
学家西博格与他的同事A．C．沃尔和肯尼迪一起实验，不久便证
实了这项推测，这个元素就是94号元素。
一度被认为是周期表的最末一个元素的铀，由于是以那时新
找到的行星天王星来命名的，故93号、94号元素也是以后来找到
的海王星和冥王星来命名：它们分别是镎和钚。后来因为发现铀
矿里存有少量的镎和钚，这样铀毕竟不是最重要的天然元素了。
西博格和加利福尼亚大学的一个研究小组，其中有杰出的吉
尔索，他们一个接着一个继续制造出更多的超铀元素。1944年，
他们以亚原子粒子轰击钚，产生了95号和96号元素，并分别命名
为镅（是以美国这个名字来命名的）和锔（是以居里夫妇来命名
的）。当他们制造出足够量的镅和锔时，再以中子来轰击这些元
素，于 1949年成功地制造出 97号元素。1950年制造出 98号元
素。它们分别被命名为锫和锎，是以伯克利和加利福尼亚州来命
名的。1951年，西博格和麦克米伦以这一连串的成就而获得了诺
贝尔化学奖。
接下来的元素则是在更加灾难性的情况下被发现的。99号和
100号元素是在 1952年11月太平洋第一颗氢弹爆炸时发现的。
虽然在爆炸碎片里检验出这些元素的存在，但是却一直到1955年
加利福尼亚大学的研究小组在实验室里造出这两种少量元素之后，
才被肯定与命名。为了纪念数月前逝世的爱因斯坦和费密，命名
为锿和镄。然后这个研究小组又以中子轰击少量的锿并生成101
号元素。为了纪念门捷列夫，把它称为钔。
接着加利福尼亚大学和瑞典的诺贝尔研究所共同合作。诺贝
尔研究所用一种特别复杂的轰击方式产生了少量的102号元素。
后来为了对该研究所表示崇敬之意，把它命名为锘。此后用别的
方法而不是诺贝尔研究所最先采用的方法也得到了这个元素，以
致在错正式被接受成为这个元素的名字之前，又拖了一段时间。
1961年，加利福尼亚大学检验出103号元素的一些原子，为
纪念刚刚去世的劳伦斯而命名为铹。1964年，苏联弗勒罗夫领导
下的小组报导说已经制造出104号元素，并且在1967年制造了105
号元素。但是这两项实验及其制造元素时所使用的方法没有得到
确认。美国吉尔索领导下的研究小组以其他的方法造出了这两种
元素。苏联小组把104号元素命名为钅库，以纪念1960年逝世的
库尔恰托夫，他曾担任过苏联一个专门研究原子弹系统的领导人。
而美国的研究小组却把104号元素命名为钅卢，把105号命名为钅
罕，以纪念卢瑟福和哈恩，因为他们两人在亚原子结构方面有很
重要的贡献。已经报导的元素达到109号。
超重元素
在攀登超铀元素的过程中，每一步都比前一步更困难。在每
一个连续阶段，元素变得更难积聚和更不稳定。当到钔时，鉴定
的工作只好根据17个原子来进行。幸运的是，到1955年时，辐射
线检验技术有了极大的改进。伯克利的科学家们把他们的仪器装
到警铃上，以便每次有钔原子产生时，钔分裂发射出来的特征辐
射都能使铃声大作，来宣告已经发生了这件事（消防部门很快地
就禁止了这种做法）。
原子序数较高的元素是在更罕见的情况下被检验出来的。只
要注意衰变产物的细节，就可以检验出被检元素的单个原子。
科学家们除了盼望有打破纪录以及在科学史上写下他们是某
种元素的发现者那种激动的欢乐外，还有什么能使他们有更进一
步的努力呢（最伟大的化学家拉瓦锡，从来就没有完成过这样的
发现，因此，失败的感觉经常深深地困扰着他）？
一种可能的重要发现有待挖掘。原子序数增加时，不稳定性
的增加并不是均匀的。最复杂的稳定原子是鉍（83号）。在它之
后，从84号～89号，6种元素都非常不稳定，以致在地球形成时
它们的存在量到目前已经完全消失。然而，令人惊讶的是后继的
钍（90号）和铀（92号）几乎是稳定的。在地球形成时原来就存
在的钍和铀之中，如今前者还存在80％，后者为50％。对这一现
象，物理学家已找出原子结构的理论来加以解释（在下一章中说
明）。如果那些理论是正确的话，那么110号和114号元素应该比
根据它们的高原子序数所预期的更稳定。因此，作为检验理论的
一种方法，人们对得到这些元素相当有兴趣。1976年有一篇报道
说，某些光轮（云母中的环状黑点）可以显示出这些超重元素的
存在。由小块的钍和铀放射出来的辐射会产生普通的光轮，但是
有少数特大的光轮则一定是由能量更高的放射性原子所产生的，
而且这些原子一定尚有足够的稳定性才能持续到今天，这些可能
就是超重元素。很不幸，这种推论未受到科学家们的普遍支持而
遭到搁置。科学家们仍在关注着。
电子
当门捷列夫和他的同辈发现元素在同斯表中可以排在由性质
相似的物质组成的族时，他们还不明白为什么某些元素可以排入
同一族，也不明白为什么性质会相关。终于一个清楚而又相当简
单的答案出现了，不过这个答案是在一系列乍看起来似乎与化学
并没有什么关系的发现之后才出现的。
这一切都是随着电现象的研究开始的。法拉第完成了他能想
到的每个电学实验后，打算进行一次让电荷通过真空的实验。但
是他不能得到适合此目的的真空。到了1854年，一位名叫盖斯勒
的吹玻璃的德国人发明了一种符合要求的真空泵，并制造出从未
有过的真空内封有金属电极的玻璃管。当实验者在盖斯勒管内成
功地实现了真空放电时，他们注意到在负电极反方向的管壁上出
现了一种绿色的辉光。1876年，德国物理学家E．戈德斯坦认为，
绿色辉光是由法拉第称为阴极的负极产生的某种辐射撞击到玻璃
上所引起的。E．戈德斯坦把这种辐射称为阴极射线。
阴极射线是一种电磁辐射吗？E．戈德斯坦认为是，但英国
物理学家克鲁克斯和其他的人却说不是；他们认为阴极射线是某
种粒子束。克鲁克斯设计改进了盖斯勒管（称为克鲁克斯管），
借助这种真空管他能够证明这种射线会被磁铁偏转。因此，这种
射线可能是由带电粒子所组成的。
1897年，物理学家J．J．汤姆孙证实了阴极射线也会被电荷
影响而偏转，无疑解决了这一问题。然而这些阴极“粒子”是什
么呢？那时候惟一知道的带负电的粒子是原子的负离子。实验证
明，阴极射线粒子不可能是这种离子，因为它们受电磁场的偏转
如此强，所以它们必然具有难以想象的高电荷，要不就是非常轻
的粒子，质量不到氢原子的1／1000。后一解释最能与证据吻合。
物理学家们已经在猜测粒子携带电流，因此这些阴极射线粒子被
认为是电的基本粒子。它们被称为电子——1891年由爱尔兰物理
学家斯托尼提出来的一个名字。最后电子的质量被定为氢原子的
1／1837。J．J．汤姆孙由于确定了电子的存在，因而获得了
1906年的诺贝尔物理学奖。
电子的发现立刻联想到电子可能是原子的亚粒子——换句话
说，原子并不像德漠克利特和道尔顿所想象的是物质最终的不可
分割的单位。
这是难以相信的，但一系列的证据无情地证明了这一点。最
令人信服的一个证据是，J．J．汤姆孙证明金属板受到紫外光照
射时所放出来的负电粒子（光电效应）与阴极射线的电子相同。
光电子一定是从金属原子中被撞击出来的。
周期表的周期性
因为电子可以容易地从原子放出（除光电效应外还可由别的
方法），自然得出它们会位于原子外层的结论。若是如此，原子
内一定有正电荷区来平衡电子的负电荷，因为整个原子通常是中
性的，正是在这点上研究者们开始向揭开周期表的神秘之路迈进。
从原子放出电子，需要少量的能量。相反地，当电子填入原
子中的空位时，它也一定会放出相等的能量（自然界通常是对称
的，尤其在考虑能量时）。此能量会以电磁辐射的形式放出来。
由于辐射能通常是以波长来衡量，所以电子填入特定原子内放射
出的辐射线的波长会表示此电子受原子束缚力量的大小，辐射能
随波长减少而增加：能量愈高，波长愈短。
现在我们来讲一讲莫塞莱的发现，即金属（指较重元素）产
生X射线，而每一种X射线又各有它们自己的特定的特征波长并很
有规律地随周期表的上升而减小。每个后继的元素似乎都把电子
束缚得比前一个紧——换句话说，每个后继元素其内部具有较高
的正电荷。
假定每单位正电荷与电子上的负电荷相当，由此得出每个后
继元素的原子一定比前者多一个电子。描述周期表的最简单方式
是定第一个元素氢具有1个单位的正电荷和1个电子；第二个元素
氦有2个正电荷及2个电子；第三个元素锂有3个正电荷及3个电子。
依此类推一直到铀，它有92个正电荷及92个电子。这样一来，元
素的原子序数原来是在它们的完整原子中的电子数目。
这是一个更重要的线索，使原子科学家解决了周期表中的周
期性问题。进一步研究表明，给定元素的电子辐射不一定限于单
一的波长；它可能放射二、三、四或更多个不同波长的辐射。这
些辐射称为K系、L系、M系等等。科学家们推断出电子排列在围
绕带正电的原子核的壳层里。最内层的电子束缚得最紧，移走它
们需要最多的能量。电子落到此层会放出最高能量辐射，即最短
波长或K系。次最内层的电子产生引起L系的辐射；下一层产生M
系等等。因此这些壳层也被称为K层、L层、M层等等。
在1925年，奥地利物理学家泡利提出他的不相容原理，它正
好解释电子怎样分布在每个壳层内。根据这个原理，没有两个电
子具有完全相同值的量子数。由于这项工作，泡利在1945年获得
了诺贝尔物理学奖。
稀有或惰性气体
1916年，美国化学家路易斯根据壳层的结构，找出了一些较
简单元素的性质和化学行为的类似关系。首先有充分证据说明，
根据泡利不相容原理，最内层的电子被限定为2个，氢只有1个电
子，因此其壳层尚未填满。原子的倾向是填满该K层，它可以若
干方式这样做。例如，两个氢原子可以共享它们的单一电子和共
用两个电子相互填满它们的K层。因此，氢几乎总是以一对原子
的形式——氢分子存在。要把氢分子分解成原子态的氢，需要很
多能量。通用电子公司的朗缪尔独立地找出了包括电子和化学行
为的相似型式，并表现出氢原子强烈地倾向于维持它的电子层填
满的实际证明。他让氢通过电弧使氢分子中的原子分开而做成了
原子氢火炬；当氢原子通过电弧再结合时，会放出分开成原子态
时所吸收的能量，这样会产生高达3400℃的高温。
在第二个元素氦中，其K壳层已由两个电子填满；因此，氦
原子是稳定的并不与其他的原子结合。对第三号元素锂，我们发
现它的2个电子填充K壳层，第三个电子开始L壳层。而后继的元
素把电子一个接一个地填入此层：铍在L层有2个电子、硼有3个。
碳4个、氮5个、氧6个、氟7个、氖8个。正如泡利所证明的，L层
的极限是8个；因此氖和氦对应，它们最外层电子刚好填满。的
确它的性质像氦，也是一种惰性气体。
每个外层未填满的原子有与其他原子结合的倾向，以这种方
式丢失电子以具有填满的外层。例如，锂原子容易失去1个L层电
子，以致它的外层是填满的K层，而氟倾向于抓住1个电子和它的
7个电子合起来完成L层。因此锂和氟互相有亲和力；在它们结合
时，锂把L层电子供给氟以填满氟的L层。由于原子内部的正电荷
不改变，减去一个电子的锂现在带一个净的正电荷，而氟附加一个
电子带一个净的负电荷。
反电荷互相吸引，使得这两个离子紧密地结合在一起，此化
合物被称为氟化钾（见图6—1）。
L层电子可以共用和转移。例如，两个氟原子中的每一个都
可与另外一个原子共用它们的1个电子，以致每个原子的L层包括
共用电子在内都共有8个电子。同样，两个氧原子合用4个电子以
填满L层；两个氮原子可共用6个电子。因此氟、氧和氮都形成双
原子分子。
图6—1 电子的转移和共用。在结合成氟化锂时，锂把外
层电子转移给氟，于是每个原子都有填满的外层。氟分子中，两
个电子被共用，填满了的两个氟原子的外层
碳原子的L层里只有4个电子，和不同的氢原子共用每一个电
子，因此把4个氢原子的K层填满，并由共用它们的电子依次填满
碳自己的 L层。这种稳定的排列是甲烷分子 CH4。
同样，三个氮原子会和3个氢原子共用电子生成氨:1个氧原
子和2个氢原子共用电子生成水；而1个碳原子和2个氧原子共用
电子生成二氧化碳，等等。由周期表前面部分的元素所生成的化
合物几乎都可以根据丢掉电子、接受电子或共用电子等方式填满
最外层的倾向来说明。
在氖之后的元素钠有11个电子，第11个电子必须开始第3层。
后面的镁在M层有2个电子，铝有3个，硅有4个，磷有5个，硫有6
个，氯7个，氩8个。
现在这一族的每个元素都与前一列的每个元素相对应。在M
层内有8个电子的氩的性质像氖（在L层有8个电子）并且是个惰
性气体。氯在它的外层有7个电子，化学性质类似氟。同样地，
硅类似碳，钠类似锂，等等。
这种情形贯穿了整个周期表。例如，由于每个元素的化学行
为都取决于它最外层的电子构型，因而所有在外层有一个电子的
元素化学反应极为相像，因此周期表第一行的所有元素——锂、
钠、钾、铷、艳，甚至放射性元素钫——它们的化学性质非常相
似。锂L层有1个电子，钠在M层有1个、钾在N层有1个、铷在O层
有五个。铯在P层有1个和钫在Q层有1个电子。此外，有关的外层
有7个电子的所有元素——氟、氯、溴、碘和砹——相互相似。
对周期表的最后一行也同样正确，其封闭壳层包括氦、氖、氩、
氪、氙、氡。
路易斯一朗缪尔的概念如此美好，以至于即使以它的原始形
式仍适用于解释元素间较简易而直接的不同行为。但是，并非所
有的行为都如想象的那么简单和直接。
例如，每个惰性气体——氦、氖、氩、氪、氙和氡——最外
层都有8个电子（除氦在它的壳层有2个电子外），这是最稳定的
可能情况。这些元素的原子得到或丢掉电子的倾向最小，参加化
学反应的倾向也最小，像它们的名字表明的一样，这些气体都是
惰性的。
然而“最小倾向”不是真的“没有倾向”，但是大部分的科
学家忽略了这个事实，因而认为惰性气体根本不能在形成化合物
中起作用。这对它们全体都不是真的。早在1932年，美国化学家
泡令已考虑到从不同的元素除去电子的情况，并注意到所有的元
素都不例外，即使是惰性气体也可能被夺去电子。但是移去惰性
气体的电子所需耗费的能量要比周期表中靠近它们的元素高。
在任何一族元素之间移去电子所需要的能量都随原子量的增
加而减少，因此，对最重的惰性气体氙和氡，没有显著地高要求。
例如，从氙除去五个电子并不比从氧原子移去困难。
泡令因此预言，比较重的惰性气体也许能与具有特别倾向于
接受电子的元素形成化合物。最渴望接受电子的元素是氟，因此
氟似乎是天然的对象。
最重的惰性气体氡是放射性的，只能微量使用。然而，次重
的氙既稳定在大气层内又有少量存在，因此，最佳的机会是设法
在氙和氟之间形成化合物。但是，30年来这方面始终毫无进展，
主要是因为氙很贵，而氟又很难处理，化学家们觉得做其他研究
比追逐这种捉摸不定的东西要实际得多。
然而在1962年，英国血统的加拿大化学家巴特勒特研究一种
新的化合物：六氟化铂（PtF6），发现这个化合物非常渴望得到
电子，几乎与氟本身一样。此化合物会夺走氧的电子，但氧在正
常情况下却是一种渴望得到电子而不是丢掉电子的元素。如果六
氟化铂可以从氧带走电子，它也应该可能从氙带走电子，因此试
着做了此项实验，发现了氟铂酸氛（XePtF6）这个化合物，它是
被发现的第一个惰性气体的化合物。
另外一些化学家立刻投入此项竞赛中，并生成许多与氟、氧
或是两者的氯化合物，其中最稳定的是一氟化氙（XeF2)。另外
还生成了氪和氟的化合物，四氟化氢（KrF4）和氟化氡。也与氧
生成化合物，例如有四氟氧化氙（XEOF4）、氙酸（HeXeO4）和
高氙酸钠（Na4XeO4）等，最值得注意的也许是易于爆炸的和有
危险的三氧化二氙（Xe2O3）。较小的惰性气体——氩、氖和氦，
比较大的惰性气体更抗拒共用它们的电子，对所有的化学家仍保
持其情性。
化学家很快从发现惰性气体可以形成化合物的震惊中恢复过
来：毕竟这种化合物也适于一般的状况。因此，目前人们已不大
愿意把这些气体说成惰性气体，而喜欢代之以稀有气体的名字，
而且说稀有气体化合物和稀有气体化学。
稀土族元素
路易斯一朗缪尔的概念不仅不适用于惰性气体，而且几乎完
全不能用于原子序数大干20的多数元素，特别是涉及周期表中令
人为难的方面，包括第57～71号在内的所谓稀土元素时，就不得
不加以改进了。
回顾一下过去，早期的化学家把不溶于水和受热不改变的任
何物质都看作上（古希腊人遗留的观点，将“土”看作一种元
素）。这种物质包括今天我们所说的氧化钙、氧化镁、二氧化硅、
氧化铁。氧化铝等——事实上这些化合物大约构成了地壳的90％。
氧化钙和氧化镁是微溶的，在溶液里呈碱性（即与那些酸相反），
被称为碱土族，当戴维从这些土中分离出金属钙和镁时，它们就
被称为碱土金属，最后，周期表中与镁和钙一行的元素，即铍、
锶、钡和镭，均叫做碱土金属。
1794年，芬兰化学家加多林研究了在瑞典的一座小村庄（于
特比）附近找到的奇特岩石，并认定它是一种新的“土”，加多
林称该“稀土”为镱。后来德国化学家克拉普罗特发现镱可以分
成两种“土”，其中一种他沿用了原名镱，另一种则命名为铈
（是根据新发现的小行星“谷神星”命名的）。但是瑞典化学家
莫桑德尔后来又把它们分成一系列不同的“土”。最后证实这些
“土”全都是被称为稀土金属的新元素的氧化物。到1907年，已
有14种元素被鉴定。按原子量增加的次序，它们为：镧、铈、镨、
钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥。
根据它们的X射线性质，把这些元素的原子序数定为从57
（澜）到71（镥）。如前面所提到的，在61号处有一空位直到从
铀的裂变物中发现钷为止。它在表中占第15位。
现在稀土元素麻烦的问题在于，它们显然不能刚好填入周期
表内。幸好在门捷列夫提出周期表时，这类元素只有4个被确切
知道；假如当时所有的这些元素都已被发现的话，那么整个表将
会混乱得难以令人接受了。有时候，即使是在科学领域里，无知
也是福。
第一个稀土金属镧，和钇很相称，化的原子序数为39，在周
期表内位于镧之上（图6－2。虽然钇与稀土族元素是在同样的矿
中发现的，性质也与稀土金属相似，但它不是稀土金属）。稀土
元素造成的混乱是在镧之后即铈才开始的，它应该和化后面的元
素即锆相像，但一点也不像；相反而是再次与钇相似。稀土族的
15个元素都是这样，性质都很像钇且彼此相似（事实上它们化学
性质如此相似，以致早期除了用最冗长的步骤外，便无法把它们
分开），但是它们与表内它们前面的任何一个元素都没有关系。
我们必须跳过整个稀土族接到72号元素铪，才能找到和钇后面的
元素锆相关联的元素。
图6—2 镧的电子壳层。注意N层的第四亚层已经跳过并未占用
由于这种情况，化学家们只好把所有稀土元素聚集在钇正下
方的一个框中，并单独地排列在周期表的脚注里。
过渡元素
人们对路易斯一朗缪尔关于元素电子壳层结构的概念加入一
些细节后，才找出了这个难题的答案。
1921年，布里提出壳层未必局限于8个电子。虽然8个总是足
够满足外层，但当该层不在外面时，可以具有比较大的容量。当
一个壳层的外面又形成了另一层时，内层可吸收更多的电子，而
每个后继壳层也可以比前一个容纳更多的电子。因此K层的总容
量为2个电子，L层为8个，M层18个，N层32个，等等——增加的
数目按）顺序层数的平方乘以 2（即2 X1、2 X 4、2 X9、2 X
16等等）。
详细研究元素的光谱支持了这种观点。丹麦物理学家玻尔指
出，每个电子层都是由能级略微不同的亚层组成的。在每个后继
的壳层里，亚层的向外扩展比较大，因此壳层间会互相重叠。结
果，内层（比方说M层）的最外亚层，实际上可以说，可能比下
一层（比方说N层）的最内亚层离中心更远。既然如此，可能N层
的较内层已填满电子，而M层的较外层还是空的。
一个例子会把这一点弄清楚。根据这个理论，M层划分成三
个亚层，它们的容量分别是2、6和10个电子，共18个电子。在M
层具有8个电子的氩，已填满电子的只有里面的两个亚层。事实
上，M层的第三亚层或最外层，在元素增添的过程中不会得到下
一个电子，因为它位于N层的最内亚层之外。就是说，氩之后的
钾，其第19个电子并不是进入M层的最外亚层，而是进入N层的最
内亚层、钾在N层有1个电子，像M层有1个电子的钠。下一个元素
钙（20），在N层有2个电子，像M层有2个电子的镁。但现在N层
仅有2个电子位置的最内亚层已经满了，再加入另一个电子可以
开始填充M层的最外亚层，而此层到目前为止却尚未接触过。钪
(21）开始该过程，而锌（30）完成它。在锌里，M层的最外亚层
终于达到它的10个电子的补充。锌的 30个电子分布如下：2个在
K层、8个在L层、18个在M层、2个在N层，此时，电子可以再继续
填入N层。下一个电子使N层有3个电子并形成镓（31），它像M层
有3个电子的铝。
在填充那个曾被暂时跳过的亚层的过程中所形成的21～30号
元素为过渡元素。注意钙的性质像镁，镓的性质像铝。而镁和铝
是周期表内相近的元素（第12号和13号）。但钙（20）和镓（31）
却不是。它们之间有过渡元素存在，这导致周期表的复杂性。
N层比M层大，划分成4个亚层而不是3个：它们分别可容纳入
2、6、10及14个电子。36号元素氪填充N层的2个最内亚层，但这
里有重叠的O层的最内亚层介入，因此，在电子进入N层外的2个
亚层前，它们要先填充O层的最内亚层。氪之后的元素铷（37号）
在O层有它的第37个电天，锶（38号）完成O亚层2个电子的填充，
因此，一个新系列的过渡元素陆续填入N层跳开的第三亚层，到
镉（48号）完成。而后电子跳开N的第四亚层，填入O的第二最内
亚层，以氙（54号）结束。
但是甚至现在N的第四亚层都必须等待它的轮到；因为在这
个阶段，重叠得太厉害，甚至连P层也插入一个亚层，而在N的最
后亚层填满以前，一定要先填这个P的亚层。氙之后的元素铯（5
号）和钡（5号）在P层各有五个电子及2个电子。N层仍未轮到，
第57个电子出人意料地进入O层的第三亚层，产生元素镧（图6－
3）。此时，一个电子好容易才进入N层的最外亚层。稀土元素挨
个地把电子加到N层直到71号元素镥，才最后填满它。镥的电子
是这样排列的：2个在K层，8个在L层，18个在M层，32个在N层，
9个在O层（2个亚层填满，加上1个电子在次亚层）和2个在P层
（最内亚层填满）。
现在我们终于开始看到为什么稀土元素和一些其他过渡元素
的族如此相似。就化学性质来说，决定元素差异的是它们最外层
的电子构型。例如，碳在它的最外层有4个电子；氮有5个，在性
质上它们完全不同。另一方面，电子忙于填入内亚层而最外层却
保持不变的一列元素，其性质改变不大。如铁、钴和镍（27、27
和28号元素），它们全都有相同的外层电子构型——一个N亚层
被两个电子填充，化学行为极为相似。它们内部电子的差异（在
M亚层）在很大程度上被它们的表面相似盖住。至于稀土族元素，
这点更加突出。它们的差异（在N层）不是埋在一个而是埋在两
个外层电子构型（在O层和P层）之下，在所有这些元素中都是相
同的。因此，这些元素化学上像豆荚内的豆子一样相似便不足为
奇了。
因为稀土金属用途很少而且很难分离，因此化学家们没花多
少功夫这样做——直到铀原子被裂变为止。后来，分离这些稀土
金属变成紧急的事，因为在裂变的主要产物中含有这些元素中的
某些放射性的品种，而在原子弹设计中，必须迅速而清晰地把它
们分离开并加以鉴定。
由于采用了1906年俄国植物学家茨维特首先设计的化学方法，
称为色谱分析法，使这个问题得到了迅速解决。茨维特发现，用
溶剂把化学性质相似的植物染料①从装有粉末状石灰的长管中冲
洗下来，可以将它们分离。他把植物染料的混合物溶在石油醚中
并倒在石灰上，然后以纯净的溶剂不断地淋。当染料慢慢地通过
石灰粉末冲洗下来时，每种染料以不同速度移下，因为附着于粉
末上的强度各不相同，结果它们分成了一系列不同颜色的色带。
继续冲洗，分离物质在柱底一个接着一个分开淋下。
许多年来科学界忽视了茨维特的发现，也许是因为他只是个
植物学家又是个俄国人，而当时关于难分离物质的研究的领导者
都是德国的生物化学家。但在1931年，德国的生物化学家威尔施
泰特重新发现了这种方法，从此才进人一般使用（威尔施泰特因
为在植物染料方面的优异研究，得到了1915年的诺贝尔化学奖。
而据我所知，茨维特却没有得到荣誉）。
发现经过粉末柱的色谱几乎对一切种类的混合物——无色的
以及有色的一一都见效。氧化铝和淀粉被证实用来分离一般分子
比石灰好。分离离子的过程叫做离子交换；一种名为沸石的化合
物是第一个用来完成此目的的有效试剂。例如，人们把水倒入沸
石长柱，可以从硬水里除去钙离子和镁离子。钙离子和镁离子附
着于沸石上，被溶液里原先存在于沸石上的钠离子取代，因此软
水就从长柱的底部滴出来。沸石的钠离子必须由注入高浓度的食
盐溶液不断地补充。1935年，随着离子交换树脂的发展又有了改
进，这些合成物质可以根据所要完成的工作来设计，例如，某些
树脂可用氢离子取代正电离子，。而另一些树脂则可用氢氧离子
取代负离子；合并这两类树脂可除去海水中的大部分盐。装有这
种树脂的工具包在第二次世界大战期间是救生筏上急救设备的一
部分。
美国化学家斯佩了采用离子交换色谱来分离稀土。他发现这
些元素以原子序数相反的次序流出离子交换柱，因此它们不仅被
快速地分离而且也被鉴定。事实上，遗漏的61号元素钷就是从裂
变产物的微小含量中以这种方法证实的。
由于色谱法，我们今天才可能成公斤甚至成吨地制备纯稀土。
原来稀土井不是特别稀少的，它们之中最稀少的（除钷以外）比
金或银还要多，而最丰富的——镧、铈和钕——比铅丰富。所有
稀土金属占地壳的百分比例比铜和锡合起来还多，所以科学家巧
妙地丢开稀土这个名称而改称这一系列的元素为镧系．根据领头
元素来命名。的确，各个镧系元素在过去用得并不多，但是现在
分离的技术已使它们的用途增多，到对世纪70年代，一年用掉
1100万公斤（约2500万磅）。铈一镧合金是一种主要含有铈、镧、
钕的混合物，占香烟打火机火石重量的 3／4。氧化物的混合物
用于抛光玻璃，不同的氧化物加入玻璃来制造某些希望的性质。
某些铕和钇氧化物的混合物在彩色电视里当作红敏的磷光体等等。
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①原文为染料——译注
锕系元素
对镧系的深入了解所取得的成就并不局限于镧系的实际应用。
这方面的新知识也提供了打开了解周期表末端一些元素（包括那
些合成的元素）化学性质大门的钥匙。
上面所说的一系列重元素以89号锕开始。在周期表中锕放在
镧的下方。锕在O层有2个电子，正如镧在P层有2个电子一样。锕
的第89个即最后一个电子填入P层，正如镧的第57个即最后一个
电子填入O层一样。现在问题是：锕之后的元素是否继续把电子
加入P层，因而依然是一般的过渡元素？或者，它们按照镧后元
素的模式偶尔把电子填人跳开的亚壳层呢？若为后者，那么锕可
能开始一个新的稀土金属系列。根据第一个元素，称它们为锕系
元素。
在锕系元素中，天然元素有锕、钍、镤和铀。在1940年以前
对它们没有做过多少研究。关于它们的化学性质所知甚少，曾假
定它们是普通的过渡元素。但是当人造元素镎和钚加到表中，并
经深入研究，这两种元素显示出化学性质与铀非常相似。因此西
博格提出，重元素实际上是按照镧系元素的模式填人受遮盖未填
满的O层的第四亚层。到铹时亚层已填满，因而有15个锕系元素，
与15个镧系元素完全相似。其中一个重要的证明就是，离子交换
色谱可以用分离镧系元素的同样方式分开锕系。
另外，104号元素鑪及105号元素[釒罕]是超锕系元素系列的
元素，化学家们确信，它们位于铪和钽的下方，铪和钽两元素在
镧系元素之后。
气体
从化学一出现开始，人们就认识到，许多物质能够随着温度
的变化以气态、液态或固态的形态存在。最常见的例子是水：充
分冷却，可以变成固态的冰；充分加热，又可以变成气态的水蒸
