元素周期表：“科學(xué)共同的語言”

為紀(jì)念俄羅斯科學(xué)家門捷列夫編制元素周期表150周年，聯(lián)合國將今年定為“化學(xué)元素周期表國際年”。元素周期表的誕生是現(xiàn)代科學(xué)最重要、最具影響力的成就之一，是“科學(xué)共同的語言”。時至今日，科學(xué)家依然可以通過元素周期表獲得啟迪。

元素周期表最初只有63個“成員”，隨著人類認(rèn)知的提高，這一“大家庭”擴充到了目前的118種元素。其中90種為自然元素，另外28種為人工合成元素。這些元素的原子核外面像洋蔥一樣，“包裹”著一層層電子，每層可以填充的電子數(shù)不同。如此一個個一層層地填充下去，就構(gòu)成了目前的已知元素。元素周期表的偉大之處，是通過橫縱排列揭示了元素隨著電子層數(shù)增多周而復(fù)始的性質(zhì)變化，為人類尋找世界規(guī)律奠定了基礎(chǔ)。

通過對元素的研究，人類收獲了許多偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和重要應(yīng)用。其中孕育出的量子力學(xué)深刻改變了科學(xué)的面貌，而新材料的不斷涌現(xiàn)，則改變著人們的生活。不論是在鐵中加入適當(dāng)比例的碳所合成的鋼，還是以碳?xì)錇榛A(chǔ)的高分子化合物塑料，都已成為現(xiàn)代生產(chǎn)生活的重要部分。現(xiàn)在，由碳原子組成的石墨烯納米材料有著卓越的導(dǎo)電和光學(xué)性質(zhì)，被譽為未來革命性的“神奇材料”;以鈧為催化劑合成的高分子材料可以獲得極強的柔韌性，有望應(yīng)用于材料本身的自我修復(fù)……

此外，基于元素演化的核能發(fā)展有望保障人類的能源安全。元素周期表中所有的元素都是核聚變反應(yīng)的產(chǎn)物，其變化蘊含著極大的能量。鐵是元素周期表中最穩(wěn)定的元素，比鐵輕的元素聚變以及比鐵重的元素裂變都會釋放出核能。一般認(rèn)為，宇宙大爆炸和隨后的核聚變產(chǎn)生比鐵輕的元素，而恒星衰老產(chǎn)生的超新星爆發(fā)這樣的高能過程才會產(chǎn)生比鐵重的元素。目前核電站中均依靠重元素核裂變產(chǎn)生能量，利用的就是上一次超新星爆發(fā)時儲存的能量，從原料的可靠性和蘊含的能量來說均不如輕元素的核聚變。所以，不少大國正加緊研究國家點火計劃，期望實現(xiàn)輕元素的可控核聚變，一勞永逸地解決人類的能源問題。

需要警示的是，地球上的一些元素很稀缺，有些甚至可能會消失。歐洲化學(xué)學(xué)會最近公布的一張圖表顯示，氦、銦等元素隨著人類的使用，在未來100年或更短時間內(nèi)會越來越難以獲得。其中銦是手機觸摸屏的關(guān)鍵材料，以現(xiàn)在的消耗速度，只夠使用10至20年。因此對手機的回收利用工作需要引起足夠重視。與此類似，鎵、砷和鍺是重要的半導(dǎo)體材料，同樣面臨供給不足的威脅。而氦元素雖然占比不小，卻容易在太陽的加熱下散失到太空中去。地球上氦資源來自地下礦藏，是開采天然氣的伴生品。它是獲得低溫環(huán)境的重要元素，科學(xué)家們呼吁要顯著減少氦向大氣的直排，莫讓廉價的氦氣球帶走珍貴的氦元素。

150年來，對于元素的發(fā)現(xiàn)與探索幫助科學(xué)發(fā)展走上了快車道。我們能否把這個多彩世界完好地留給下一代?這取決于我們保護資源的力度，以及走可持續(xù)發(fā)展道路的決心。