门捷列夫通过整理前人积累起的数据，发现了元素周期律。这是化学上的伟大发现。

可是，元素的化学性质为什么会出现周期性的变化，这背后的原因是什么？

门捷列夫本人认识到：他不知道这问题的答案。他相信，未来的研究会揭示出背后的原因。

20世纪初，物理学家在对原子的研究上取得了惊人的进展。终于，人们能够解释元素周期表背后的奥秘了！

这一辉煌成就，值得每位学生了解、欣赏与回味。

兰兹伯格的初等物理教科书中，对这一成就做了精彩的讲解。

这出现在这套书第3册第22章“原子结构”的第15节。

这一章共17节，讲了许许多多极其重要的内容，比如，原子的大小与质量，基本电荷，带电粒子质量的测量，电子质量随速度的增加，同位素，以及原子的核式模型，原子的能级，光受激辐射，原子的可见光谱与X光谱。第15节讨论门捷列夫的元素周期系统，最后两节介绍光量子与量子力学基础。

原书中这部分内容（第15节）占了接近3页。为了方便大家理解，我把它分成3个部分：

第一部分：原子的行星模型怎样解释了元素周期表中的规律性；

第二部分：为什么原子的化学性质只由最外层电子决定；

第三部分：原子为什么这么稳定（坚固）。

第一部分

门捷列夫发现的，元素化学性质变化的周期律，反映出了原子结构中的内在规律性（黑体字是我翻译书中的原句）。

这句话直击要害。当我们面对元素周期表时，假设我们还没有学过原子结构的基础知识，能不能想到：元素化学性质表现出的周期性变化（虽然不是数学上哪种严格意义的周期性——这个不重要），反映的是原子结构的内在规律性？

我们应该想到这一点，或者，我们应该引导孩子想到这一点。我们在学习的时候，不应仅仅注意事实，还必须注意事实所指示的意义。

作者紧接着说：因此，元素周期律不但对于化学，而且对于物理学，都具有头等重要性。

关于原子结构的“合格”理论，必须能够解释元素周期表中反映出来的元素化学性质的规律性。

所以，比如，道尔顿的原子结构模型，在元素周期律被发现以后，就称不起“合格”了。

这一章的前面介绍了物理学家建立起来的原子的行星模型，并且表明，行星模型能够成功地解释许多复杂的现象（氢原子的光谱等）；

现在，它能解释元素周期表呈现出的规律吗？（我们必须认识到，原子结构的理论要承担的任务有多么艰巨，它需要解释多少各种各样的事情！）如果能，是怎样解释？

原子具有各种各样的行为。它们什么时候表现出化学性质？作者指出，当原子之间的碰撞引起分子的形成时，原子表现出它们的化学性质。

当原子之间发生碰撞时，彼此靠得很近，按照原子的行星模型，它们的电子壳层互相作用（影响）。因此，原子的化学性质由其电子壳层的结构决定，最终是由原子的核电荷数决定。因此，周期表中的元素是按照核电荷数增加的顺序排列的。

这还解释了，为什么同位素原子（原子核质量不同，但核电荷数相同）具有完全相同的化学性质。

接下来需要弄清楚，原子化学性质与其电子壳层结构之间的具体关系是怎样的？为了看出这些关系，作者用图表给出化学周期表中前3个周期每种元素的电子壳层结构。

注意到：一种给定元素所在的族的序号，等于最后一个被填充的原子壳层中的电子数目。每族中的元素具有相似的化学性质。

由这可以得出，原子的化学性质是由最后一个未被填充完的壳层中的电子决定。这些电子被称为价电子。

价电子的数目决定了元素的化合价。比如，锂，钠，钾只有一个价电子，它们都是单价的。

电子壳层被填充完的原子没有价电子，化学上是惰性，构成零族元素，因为价电子数目为0。

当原子的电子数目增加时，元素的化学性质从金属变为非金属。当下一个壳层被填满时，得到惰性元素。随着电子数目进一步增加，新的壳层开始被填充，开始新的周期，元素再一次从金属向非金属过渡。

从第四个周期开始，电子壳层的填充顺序变得复杂，书中用小号字体简单介绍了有关内容。这样做是明智的；中学的科学课应避免太深奥复杂的内容，用最大力气把最基础的内容解释透彻。

最后，作者用一句话总结元素化学性质周期性背后的原因。它是由于，元素化学性质主要由原子最外层电子数目决定，而当各个壳层依次被填充时，最外层电子数目是周期性重复的。

第二部分

但是，决定原子化学性质的，为什么只是原子的最外层电子，而不是全部电子呢？

作者没有在前面的结论那里停住，而是紧接着提出这个问题。

因为，前面只是通过比较前三个周期中每种元素的电子排布情况，推断出元素的化学性质是由原子最外层电子决定。我们并不理解为何会是这样。

现在必须进一步追究这一问题。

作者这样解释：化学反应中每个原子释放或吸收的能量，不超过几个电子伏（参考前面的一道练习题）。这个能量足够改变原子的外层电子排布。然而，要想改变内层电子的轨道，这个能量太低了，内层电子的跃迁能比外层电子大得多（参阅本章14节）。因此，当原子结合成分子时，内层电子的排布保持不变。［注］

注：我喜欢这样想：刮大风时，海面卷起许多米高的巨浪，吓死人。可是，这只发生在大海表面，而在海水深处，一切如常。在化学反应中，原子的情况也是如此。虽然我们看到反应时发出耀眼的光芒，或其它显著的变化，但在原子内部，一切如往常一样。所有的变化都只是发生在原子的最外层而已。

作者没有停留在这里，而是用另一件证据佐证这一解释。

这证据来自光谱学。光谱学中有一个引人注目的事实：化合物的X射线谱，是组成它的各元素的X射线谱的简单叠加。

与X射线谱不同，可见光谱是由外层电子的行为决定的，这些电子正好就是决定原子化学性质的那些电子。所以，化学性质相似的元素，可见光谱也是相似的。（科学最美妙的地方之一，就是使人们在原先认为互不相关的现象之间发现联系！）

当原子形成分子时，“化学”电子，同时也是“光学”电子，发生重组，从而，原子的光学性质跟着改变。

这就是为什么，分子的光谱与组成它的各原子的光谱通常存在显著的区别。

第三部分

在结束这一节的时候，作者又考虑了原子的稳定性（强度）问题。

这一章的第1节已指出过，原子比分子稳定得多，或者说，坚固得多。

中学化学书常会告诉学生：在化学反应中，虽然分子改变，但原子不发生变化。然而，许多书不会告诉学生，这表明原子比分子结实得多，稳定得多。

作者指出，原子的稳定性，是由于原子核的稳定性。当原子的性质发生变化时，比如，变成离子，或结合成分子时，只是外层电子发生重组，而原子核不受影响。

所以，经过这样的变化后，原子很容易重新变回原来，比如，从离子变回中性原子，分子分解为原子。

为了使原子发生更剧烈的变化，必须让原子核的核电荷数发生改变。这是可能的。不过，由于原子核非常小并且非常坚固，这需要极其强大的手段。

最后一句话指向第24章，原子核与核反应。

注2：化学反应中用到的手段一般是研磨、溶解、加热、通电流、高压等等。

这短短的一节，是不是教给我们许多东西？

而且，作者不是直接把结论向读者宣布，而是引导读者思考，一步一步到达目标。

他讲解得很细致，一步也不跳过。

他的视野又那么广阔，带领我们看到许多重大事情之间的内在联系。

我本人读完这一节，是很受教育而又很享受的！