门捷列夫元素周期律发现史析疑，本文主要内容关键词为：门捷列夫论文,发现论文,元素周期律论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
众所周知，十九世纪俄国化学家德·伊·门捷列夫（D.I.Mendeleev,1834—1907）于1869年确立了最初形式的元素周期律。而元素周期律的建立为当时的化学家们提供了一份梳理、概括已有的无机化学知识的总纲，而且对后世化学的发展产生了重要影响。
前苏联科学史家鲍·米·凯德洛夫（B.M.Kedrov）无疑在门捷列夫研究方面可以称得上是最负盛名的研究者。直至今天，他的工作以及他理解门捷列夫的方式对于我国门捷列夫研究仍存有重要影响。然而，凯德洛夫在其有生之年里之所以对门捷列夫发生强烈关注，并不仅仅是出于门捷列夫在近现代化学史上有着极为重要的地位，在很大程度上，他从事有关研究还出于这样一种缘故：门捷列夫是一位曾为俄罗斯带来崇高声誉的人。除夹杂着以往的许多俄罗斯学者所特有的那种大俄罗斯主义的民族情怀之外，凯德洛夫的门捷列夫研究中还处处渗透着某种前苏联式的超科学的哲学关怀，这便给他的工作带来了局限性。因此，在较为切实的化学思想史史境中重新理解门捷列夫的化学思想与工作则成为本文之主旨。
凯德洛夫是在度过了一段不平静的政治生涯后转入门捷列夫研究的，他在着手建立门捷列夫研究之原始资料库的同时，先后出版了许多论文与专著。《从门捷列夫周期律的观点来看化学元素概念》（1955年），《化学元素概念的演变》（1956年），表达了他对门捷列夫周期律的发现背景的基本理解，而《伟大的发现的一天》（1958年）、《关于门捷列夫周期律早期著作的哲学分析》（1959年），则给出了他对门捷列夫周期律的发现过程与其中的方法论问题的研究成果。同时，凯德洛夫还将其门捷列夫研究成果融入他在科学方法论方面的研究以及马克思主义经典著作研究之中，出版了《论发展过程中的重要性》（1961年）、《马克思主义的自然科学史》（1968年）、《物理学的方法论原理》（1975），以及《论恩格斯〈自然辩证法〉》等著作。
从这些著作中可以看出，凯德洛夫从事门捷列夫研究有两条宗旨，其一是以他对辩证法与哲学的理解为指导弄清门捷列夫周期律发现史，其二是要从门捷列夫研究中“上升”出合乎辩证法的科学方法论。
凯德洛夫在其《伟大的发现的一天》〔1 〕中用了整整半部书的篇幅论证了元素周期律的发现是门捷列夫在旧俄历1869年2月17 日（即公历1869年3月2日）这一天里完成的。这一发现的具体过程为〔2〕〔3〕：1.门捷列夫在2月17日早餐时收到“自由经济协会”秘书霍德涅夫（A.I.Khodnev）的两封关于安排门捷列夫外出考察干酪制造厂的信件，在这两封信的背面及空白处记载着他按照原子量顺序及化学性质系统地排布元素的最初尝试。2.门捷列夫受他心中刚刚萌生的想法的吸引，放弃了考察计划，留在家中继续他的工作。在一张标有“2月17 日”的纸张上编制了两张不完全的元素表。很可能是在这种时候，他的朋友伊诺斯特朗采夫来访，发现门捷列夫神情沮丧、焦燥不安。门捷列夫告诉来访者一切都已然涌入了自己的脑子但却不能用一张表来表示。3.正是在这次会见之后，门捷列夫在其“化学之基础”文稿中的元素单上一一将精确的原子量值注出。接着，他根据此元素单制成分别列有当时已发现的63种元素的每一元素的原子量和重要化学性质的元素卡片，开始排布“化学牌阵”，数小时后终于从中得出了一份按照原子量递减顺序从上至下排布的元素表（该表未注明日期）。4.门捷列夫很可能是在这个时候（而不是像伊诺斯特朗采夫所说的那样在连续工作了三天三夜之后），休息了一阵子，并很快进入了梦乡。在梦中他见到了一份与上述元素表略有不同的元素表，惊醒后他迅速记下了这份元素表（参见表1），注明“2月17日”的日期，交付印刷。这份元素表与前一元素区别不大 ，一是将原子量从上至下递减的顺序排布元素的方式改为递增的顺序，另一是改正了前表中的一处错误。这表明，门捷列夫发现元素周期律基本上是在意识清醒的状态下完成的，并不是因为做了一个神奇的梦。
表1 门捷列夫最初公布的周期表式样 （1869年）
ri=50 2r=90 ?=160
V=51 Mb=94 Ta=182
Cr=52 Mo=96 W=186
Mn=55 Rh=104,4 Rt=197,4
Fe=56 Ru=104,4 lr=198
Mi=Co=59 Pb=106,6 Os=199 H=1
Cu=63,3
Ag=108Hg=200
Be=9,4 Mg=24Zn=65,2
Cd=112
B=11
Al=27,4 ?=68 Ur=116Au=19
C=12
Si=28?=70 Sn=118
N=14
P=31 As=75 Sb=122Bi=2107
O=16
S=32 Se=79,4
Te=1287
P=19
Cl=35,5 Br=80 J=127 li=?
Ma=23 K=39 Rb=85,6
Cs=133T1=204
Ca=40Sr=87,6
Ba=137Pb=207
?=45 Ce=92
?Er=56
La=94
?Yt=60
Di=95
?In=75,6 Th=1187
从凯德洛夫所给出的关于门捷列夫发现元素周期律的过程可以看出，凯德洛夫认为元素周期律思想以及最初形式的周期表的确立均为门捷列夫在那个“伟大发现的一天”中完成的，继之，他在该书下半部分按照逻辑要求分析了门捷列夫在完成这一伟大发现的过程中必然用到的方法，即上升法、综合法、比较法，并从方法论角度将门捷列夫描述为辩证法思想的自发运用者。
但是，对于我们来说，凯德洛夫的研究并不是没有疑问的。按照当时学术交流的水平及规模而言，门捷列夫能够公布他的成果并通知整个欧洲学术界。既然如此，我们反过来设想一下，也应明白，门捷列夫并不是不可能了解到其他学者在1869年前几十年中在此方面所取得的重要进展。但是，门捷列夫在其《化学原理》第二卷（1870年）中曾将杜马（J.B.A.Dumas，1800—1884）、格莱斯顿（J.H.Gladstone，1827 —1902）、佩登科弗尔（M.J.Von Pettekofer，1818—1901）等人列为他的工作先驱，但却未能将较这些人而言更多地贡献于周期律的发现的坎古杜瓦（注：坎古杜瓦，法国地质学家，他于1862年至1863年间公布了他的“球体螺线”，按原子量的大小次序将元素排成一条围绕圆筒的螺线，并指出卤素排在这条“球体螺线”的一侧且成一直线。）（B.deChancourtois，1820—1886）、纽兰兹（注：纽兰兹，英国化学家，化于1862年公布其关于化学元素的“八音律”，他按原子量大小自上而下排列元素，并发现如将元素按每逢第八个就另起一列的方式排列，那么同一自然族的元素往往会出现在同一条横线上。）（J.A.R.Newlands，1837—1898）、迈耶尔（注：迈耶尔，德国化学家，于1864年出版其《现代化学理论》〔4〕一书，书中按化学价价数对元素进行系统分类，而且按原子量递增的顺序排列一部分元素。1868年，他为出版《现代化学理论》第二版曾在手稿上完成了对当时已知的元素中的绝大部分元素的排列，但此书第二版的出版时间为1872年。1870年，迈耶尔发表了他制定的一份完整的元素周期表，与门捷列夫周期表较为一致。他承认曾从一份简报上了解到门捷列夫1869年的工作。他较注重物理性质（原子体积）的周期性变化。此外，他明确指出，长周期是从第三周期（即现在所说的由K 开始的周期）而不是从第二周期开始的。）（J.L.Meyer，1830—1895）以及库克（注：库克，美国化学家，于1854 年向美国艺术与科学学会递交了一篇题为“元素原子量之间的数量关系以及关于化学元素分类的某些考虑”的论文〔5〕，指出“首先， 化学元素可以按照类似于有机化学中的卤素系列的方式来分类；其次，这些元素系列的性质服从某种递变规律；最后，原子量也同样地按递变律变化，而这种递变律可以用一个简单的代数式来表达”。此外，他还断言，在这规律的背后存在着更深层次的规律，“原子量之间的关系并不是偶然的，它是全能的上帝关于宇宙构架的总体计划中的一部分。”）（J.P.Cooke，1827—1894）等人列入其中。与门捷列夫一样，凯德洛夫也没有对这些起码也应被视为门捷列夫的先驱的科学家们给予应有的重视。
科学家对于自己的工作与成就的偏爱曾引发过许许多多的围绕优先权展开的论争，这类例子不断地提醒科学史家要保持一种较为公正的态度。围绕元素周期律发现的优先权问题，在门捷列夫、迈耶尔以及那些试图为坎古杜瓦申辩的法国科学家之间就曾经爆发过一场持久的争论。尽管这场论争并未能触动凯德洛夫，但却足以促使我们对以下问题作出深思：为什么会爆发这样一场论争？这至少能说明这么一个问题：在门捷列夫发现元素周期律前后他所关注的问题也正是当时的一代化学家们所关注的问题。
我们并不想指责科学不无严酷意味的竞争与评介规范，但是，在思想史中，我们却绝不能只关注那些仍然列在今天的教科书中的成就，而不问其思想发生与成熟的过程。对于凯德洛夫来说，撇开门捷列夫的许多重要的思想先驱，有意识地将元素周期律思想在19世纪化学背景中发生及成熟的历程浓缩于门捷列夫在那个“伟大发现的一天”所进行的工作之中，按照逻辑要求概括门捷列夫的方法，是一种较自然的、合乎历史条件的编史方案。但是，对于我们来说，凯德洛夫式的、更多地指向哲学宣传而非科学史本身的研究模式，毕竟已成为历史。我们将以不同的方式理解门捷列夫及其先驱者们的思想与工作。
从逻辑上讲，成功地建立起元素周期律所必需具备的知识基础或条件应包括：1.必须对元素家族的大部分元素有所认识；2.必需有较为精确的原子量数值并能区分原子量与当量；3.必须在对已发现的各种元素化学性质的研究以及相应的化学分类研究上有一定的进展。从时间上看，这些条件恰恰是在19世纪上半叶里随着化学的发展而逐渐得到满足的。于是我们不难理解，门捷列夫与迈耶尔在60年代末分别建立起完整而系统的元素周期表并不是偶然事件。但是，若要将元素周期性思想的发生与确立的全部过程，归结为超越于当时化学的各种传统之上的某一位天才人物（诸如凯德洛夫笔下的门捷列夫）在一日之内的伟大发现，则未免不合乎历史事实。按照凯德洛夫的说法，门捷列夫是在1869年2月17日的那天早上突然意识到周期性思想的，但是，在此之先，类似的思想也曾在坎古杜瓦、纽兰兹、迈耶尔以及库克等人的有关著作中闪现过，尽管他们的工作均不像门捷列夫的工作那样全面、完整而系统。
迈耶尔愿意承认门捷列夫是成功地对当时已知的所有元素作出系统分类的第一人，但是他深信自己曾贡献于周期性思想的提出与发展，为此与门捷列夫就这种思想上的优先权问题论辩。而门捷列夫压根就不愿意对其他的化学家们在建立元素周期问题上的独立性工作给予较高的评价。对于迈耶尔，他毫不客气地说：“以一封信对另一封信，以一篇论文对另一篇论文，以一张表对另一张表，以1869年对1870年，以3月和8月对12月〔迈耶尔的论文发表时所注时间为1869年12月〕，由此我只能认为，著名的L.迈耶尔提出的优先权要求从一开始就是个错误。”〔6〕显然门捷列夫有意采用了一种成败论英雄的态度和胜利者的口吻。他深信没有人能够比他更懂得元素周期律的深刻意蕴，在他看来，只有在了解其底蕴的基础上，才有可能对未发现的元素作出大胆而准确的预见。但是，不愿作大胆预言的迈耶尔也有着一定的道理：事实表明，按照当时以原子量为基础建立起来的周期律重排元素的位置，有时是对的，但也有出错的时候。
我们并不是着意要去评判孰是孰非，我们更关注这么一个事实：在门捷列夫制定出其周期表之先，元素周期性思想便频繁出现在化学家们的视野之中。这类思想不但存在着，而且在化学家们前后相继的工作中延伸着。我们很难设想迈耶尔或是门捷列夫的工作具有完全的独立性，说他们在开始其工作之前没有像通常的那样去查阅他们应该查阅的文献，不去了解有关研究之进展是不合常识的。此外，没有任何证据证明他们的确不了解前人的工作。相反，编写化学教材——这一导致他们开始研究元素系统的具体动机——倒是要求其作者尽可能全面地了解各种化学思想与研究进展。更重要的是，如果说门捷列夫在1869年2月17 日之前譬如在他开始研究元素分类问题时，便已了解到元素周期性思想（或是从纽兰兹，或是从迈耶尔，或是从库克，或是从其他渠道），我们倒是能够更好地理解门捷列夫在那个“伟大发现的一天”中的贡献。确切地说，元素周期性思想在当时化学界而言已不是什么秘密，关键的问题是在于，如何将这种未定型的、在当时时常遭到化学家奚落的思想转化为切实的化学认识。门捷列夫做到了他的先驱者们所未能做到的一件事，这就是：用一张没有遗漏当时已知的任一种元素的元素表，完成元素的系统分类工作，有效地提示元素之间的联系，并以准确的预言征服了他同时代的化学家们。
重新审视由凯德洛夫所描述的关于门捷列夫发现周期律的具体过程，我们便不难理解：门捷列夫于2月17日早晨在霍德涅夫来信背后对Na 族和类锌族两族元素之原子量差值所作的计算以及各种类似的计算，恰恰表明他正是在此时找到了一种有效的元素排列方法，一种有可能将所有元素排列于同一份元素表上的方法，这极大地加深了他对周期性思想的信念，但并不表明他在此才获得对元素周期性思想的最初认识。说他到了进行原子量差值计算之时才产生周期性思想是不合理的。显然，从前人的成就里他已然能够预先将一些自然族（如Na族、囟族等）按原子量顺序排列出来，作为元素表的基本骨架，而利用原子量差值计算以及同族元素在化学性质上的相似性，则可以进一步将那些不能预先直接列入表中的元素逐一准确地列入其中，并使得其间不能再插入别的元素。按照这种方法，只有那些原子量尚未测准且主要化学性质尚未弄清的元素才可能难以列入，这些元素是Er，Yt，In，Ce，La，Di，Tn。最后，他只好将这些元素直接按照当时的原子量数值强行列入。（参见表1）这样一来， 便给这份周期表留下了一个较严重的错误，即第三列成为 长周期，第四列则成为超长周期，由此招致迈耶尔后来对他1869年的这张周期表的有力指责。此外，他的方法也决定了其元素表中的过渡元素概念极不同于后来的有关概念。门捷列夫曾在维护自己的优先权时宣言，迈耶尔如果对元素周期律有更深刻的认识，就会像他一样正确地预言新元素。但是，我们也可以反问，如果门捷列夫对元素周期律有更深刻的认识，他便不会在满怀犹疑的心情之中将这些元素列入其元素表中。如果说迈耶尔在他的元素表上留下一些空格并不意味着另一种形式的预言，并不表示他对周期律有深刻的认识，那么，在同样的意义上，门捷列夫元素表第三列第四列上“多出”的元素不也像迈耶尔元素表空格上可能“少掉”的元素一样，显示着对元素周期律的认识还不够“深刻”么？必须承认，门捷列夫在元素系统性质与分类研究上是一位集大成者，但是，更应该看到，门捷列夫元素周期律的确立与当时化学的主导传统是分不开的。事实上，元素周期性思想发生于这种以经验思维模式为首要特征的化学主导传统之中，也必然受制于该传统所固有的局限性。对此缺乏认识，我们便很难适当地理解门捷列夫元素周期律在化学史乃至于科学史上的实际意义。
比较门捷列夫周期律与现代周期律，我们会发现两者之间存在着许多不容忽视的重要区别，这不但表现于周期表的形式上，而且还表现于它们背后所蕴含的思想与方法上。一句话，门捷列夫周期律是19世纪化学之经验思维模式的产儿，而现代周期律则是在现代物理学量子理论中获得其坚实的理论基础。化学就其主要学科特征而言，它更多地取向于异样性的研究，而物理学，则更多地取向于统一性的追求。从历史看，17世纪时大多数化学家对于炼金术物质理论的否认以及他们关于不可嬗变的元素概念（简单物质）的确立，便在很大程度上规定了以后的化学的上述学科特征，也规定了其主导研究传统的性质。由于18世纪拉瓦锡（A.L.Lavoisier，1743—1794）的工作，这种传统极大地受惠于培根 （F.Bacon，1561—1626）与孔狄亚克（E.B.de Condillac 1715—1780）的经验主义方法论。它是那样强烈地取向于经验，以至它对一切带有显著理性色彩的假说均表现出极强的拒斥力。19世纪初，道尔顿（J.Dalton，1766—1844）建立了其定量原子理论，这对拒斥原子理论达半个世纪之久的拉瓦锡派化学家来说是一种挑战。由于该理论对大量经验事实能作出成功解释，化学家们才逐渐接受了这一理论；但是，他们对于这一时期是由普劳特（W.Prout，1785—1850 ）提出的关于一切元素由氢原子构成的假说，则毫不犹豫地加以排斥。事实上，道尔顿原子论在为这种传统所接纳之时，即被人为地转化为一种合乎经验思维模式的化学而非物理理论。基于不可嬗变的元素概念，当时的化学家们大多不承认原子有其内部结构。
元素周期性思想之所以能在这种主导传统之中发生，在很大程度是由于凝聚于道尔顿原子论中的那种不无理性色彩的研究纲领对19世纪化学主传统构成了冲击，这种冲击引发了一场关于思想、方法、认识、成果的新的综合。门捷列夫就其工作的根本特征而言，更像是一位工作于当时化学主导传统之内的化学家。他揭示了元素之间以化学形式表现出来的关联性——元素周期律，却未能超出经验思维模式对普劳特假说所揭示的探讨物质统一性问题的思路给予关注。他像其他化学家一样，根据许多实测原子量数值并非整数这一经验事实否认了普劳特假说，并相信元素周期律即是对物质元素之联系的最好揭示。
但是，后来的科学发展表明，与古代形而上学元素理论以及炼金术物质理论有密切关系的普劳特假说、库克的“核素”理论及海因里奇（G.D.Hinrich，1836—1923）的“泛粒子”假说，对于人们在更深的层次上揭示物质统一性真正起到了至关重要的作用。事实上，当化学于17世纪中叶建立起不可相互嬗变的旧元素理论，大多数化学家们便一直将揭示物质统一性的任务置于脑后。而美国的一些与门捷列夫同时代的，像他一样关注元素系统分类问题研究的化学家，诸如库克，海因里奇等人，则是一种例外〔7〕。 他们的元素系统分类方法不但受到了经验思维传统的影响，而且在更重要的意义上受到了不无形而上学色彩的炼金术物质论传统的影响。有趣的是，他们的工作足以对人们探讨物质统一性的工作产生较门捷列夫周期律而言更重要、更有意义的影响。但是，他们却不能像门捷列夫一样，成功地制订出一张完整的元素周期表来。
（致谢：感谢袁江洋同志为本文提供了有价值的原始资料及指导。）