拜读《大学化学》杨奇等^[1]的“再论化学元素周期表的形成和发展”一文(以下简称“再论”)，笔者受益匪浅，引起共鸣。因此笔者这里发表“也论化学元素周期表的形成和发展”一文(以下简称“也论”)。“再论”和“也论”都是以时间为序，将化学元素周期表的发现和发展分为四个阶段。

“再论”将化学元素周期律划分为“萌芽、突破、发展和展望四个阶段”。

“也论”将化学元素周期律划分为“点→线→面→体的四个阶段”。

“也论”的“点”型阶段和“线”型阶段是“再论”的在“萌芽阶段”之前的解读。“体”型阶段是“再论”的在“展望阶段”之后的解读。也是对“化学元素周期表”的拓展，以及今后提出构建“元素立体周期律”的设想。

自开始有人类以来，人们就关注对人们休戚相关的、伴随人们终生的、每时每刻都离不开的“元素”的研究。古代人们早就对元素有了一定的感性认识。公元前的几个文明古国埃及、中国、印度以及希腊等国对元素都出现过各种各样的分类方法（详情略）。譬如古老的中国在春秋(公元前770–476年)战国(公元前722–481年)时期将物质分为“金、木、水、火、土”的“五行学说”，这也是对元素很粗糙的分类方法。由于世界万物的组成很杂乱，又由于科学水平所限，各国的分类方法也就千差万别了。

到了公元前5世纪，希腊的哲学家Heraclitns (何拉克里特，公元前540–480年)主张万物之源是火。而古代杰出的唯物论者德谟克里特提出了宇宙万物皆由最小的、坚硬的、不可入的、不可分的粒子所构成，这实际上就是“原子”的雏形。

公元500年人们才发现金、银、铜、铁、锡、铅、汞、碳、硫等9种元素^[2]。到1250年又认识了砷，共有10种元素^[2]。以后逐渐增多，到1789年又增加到20多种元素。化学史上的一位巨匠——法国化学家Antoine. L. Lavoisier (安托万∙拉瓦焬，1743–1794)着手开始将化学元素分类，是拉瓦锡创立了无机化学。到18世纪末，人们才认识了金、银、铜、铁、钴、锡、铅、锑、铋、钨、锰、镍、铂、锌、汞、砷、碳、硫、磷、钼等约33种元素(其中部分为单质和化合物)^[1]

18世纪末之前，由于认识的元素较少以及科技水平发展的限制，元素与元素之间没有太多的联系。由此证明人们对元素的认识都是孤立的、无联系的单个“点”型元素研究。

在开始发现元素的“点”型阶段，各个元素是杂乱无章、乱七八糟、无规律地放在一起。所谓“金、银、铜、铁、锡……”的排列顺序是按生活习惯、或价值、或利用率、或发现早晚排序的。铁器时代发现“铁”，铜器时代发现“铜”。“锡”是日常应用的“焊锡”等。这种排列没有任何“化学性质”因素的。

1803年，英国化学家、物理学家Dalton J. (约翰∙道尔顿，1766–1844) ^[1]提出原子学说。1808年他在曼彻斯特发表并出版代表著作《化学哲学的新体系》。

1810年瑞典人白采里乌斯离析出硅^[2]，此时19世纪前十年已发现元素40多种，人们才开始研究元素与元素之间的关系。

1826年法国化学家巴拉尔(1802–1876)发现一种性质介于氯和碘之间的物质，误以为氯化碘，后来证实是一种新元素——溴。这对以后发现“三素组”给以启迪作用。1829年，人们已经发现了54种化学元素。德国化学家Dö bereiner J. W. (约翰∙沃尔夫冈∙德贝赖纳，1780–1849) ^[1]提出了“三素组”。这已能局部地找到中间元素原子量是两端元素原子量平均值的规律。这种从事物本身来说明事物，寻求联系，由定性到定量的过渡却代表了本质上正确的新方向，开启了寻找元素间规律的先河。迈出了艰辛的第一步，已是难能可贵。德贝赖纳的工作激励了其他人研究元素的化学性质与元素原子量之间的相关性。这就是“元素线性周期律”的初步研究，为以后发现“元素平面周期律”提供了思路。

19世纪中叶，元素才被发现55种。

1857年，英国化学家Odling W. (威廉∙奥德林，1829–1921)又发表了“元素表”。1860年，比利时化学家Stas (斯达思)发表了更为详细的原子量表。1862年，法国地质学家de Chancourtois A. B. (德∙尚古尔多，1820–1886)^[1]提出关于元素性质的“螺旋图”。1864年，德国化学家Meyer J. L. (尤利乌斯∙罗萨∙迈耶尔，1830–1895)在讲授无机化学课程时，为了使学生们容易理解，在伯莱斯拉乌大学的化学教室里，挂出了他的“6元素”表，并将其写进了他的著作《现代化学》^[4]。“六元素表”还是处于“元素线性周期律”阶段。

1865年，意大利化学家Connizzare (康尼查若)发表了第一个现代原子量表。1866年3月，英国化学家Newlands J. A. R. (约翰∙亚历山大∙雷纳∙纽兰兹，1837–1898)又进了一步，把“6元素”扩大成8个元素一组，提出元素分类的“八音律”，并画出“八音律”表。八个元素为一组，好像音乐中的八度音阶而得名^[1]。“八音律”是将每“八种元素”排成线性一行，已是典型的“元素线性周期律”，几列“八音律”排成数列，已经是“元素平面周期律”的雏形了。

到了1869年，总共才发现63种元素。这时我们可以看到，无论是道别莱涅尔的“三素组”、尚古尔多的“螺旋图”、奥德林的“元素表”、迈耶尔的“6元素”表，还是纽兰兹的“八音律”等，都是对元素排列按“一条线”的规律排序，因此称作“线型周期律”。这种线性“一维”的周期律对化学元素周期表的发现垫定了基础，但是，当时并不被科学界认可。直到1869年俄国科学家门捷列夫排出了“元素周期律”之后，前人的探索才被认可和公认。以上事实充分说明：19世纪10年代到19世纪70年代，对元素周期律的探索是“一维线型周期律”。

虽然“一维线型周期律”还没有排出按元素化学性质的排序规律，但是它们具有不可贬斥的地位。对“一维周期律”的探索必定为探索“二维周期律”奠定了基础，因为失败是成功之母！

1869年2月17日，俄国科学家Менделее́ев Д. И. (门捷列夫，1834–1907) ^[1]发表了“化学元素周期表”，它是19世纪自然科学的重大成就之一。在此后的几年里，德国化学家尤利乌斯∙罗萨∙迈耶尔(Julius Lothar Meyer，1830–1895) ^[1]和Менделее́ь一直在坚持不懈地努力，终于排出了63种元素的元素周期表。特别是Менделее́ь为仍未发现的元素合理地、科学地、预见性地留有空位置。自此科学家们对元素规律的探索是以“二维”空间平面规律研究的，它的横坐标就是“原子量”，纵坐标就是“周期”。

自1869年Менделее́ь排出整齐的、完整的、美观的“化学元素平面周期表”之后，科学家们不断地完善、填补。直到2015年12月30日，IUPAC (国际纯粹与应用化学联合会)确认人工合成了113号、115号、117号和118号4个新元素。随之，元素周期表第七周期被全部填满。自此“元素平面周期表”画上了圆满的句号。

笔者搜集统计世界各国形形色色、各种各样的“元素平面周期表”有100多幅，各有特色。笔者也绘制了一张“元素平面周期表”，其特点是周期从下面向上排，每个元素包括元素名称、元素符号、原子序数、中质和、中质差，并用色标表示部分元素物理性质(譬如：黑色代表金属、白色代表气态等)。

如果说“元素线性周期律”是“化学元素周期律”的第一个里程碑，那门捷列夫元素周期表则是在元素周期律探索长河中的第二个里程碑，是二维的“元素平面周期律”。对“二维”元素规律的研究，也有美国、俄国、法国、德国、意大利、英国等国的记载。

以上充分说明并证实：19世纪下半叶到20世纪上半叶对元素周期律的探索是平面“二维”的。

“元素平面周期表”有其缺点(但不是错误)、缺陷、不足和局限性，特别是根本无法容纳2, 786个同位元素，因此构建“元素立体模型”是必然的、必须的，也有其建立可行性的条件。“元素立体周期律”就是构建同位素的排序规律，它也有萌芽、形成和拓展阶段。

1922年，英国物理学家阿斯顿根据阳极射线发明质谱仪^[3]，这是研究同位素的开始，并确立了同位素的原子量为正整数，称“整数规则”(这就是70年代笔者提出来的“中质和”)。1923年，英国科学家Soddy F. (索迪，1877–1956)确立了同位素(isotope)的概念，同位素是指具有相同核电荷但不同原子质量的原子。1931年，美国E. O. Lawrence (劳伦斯，1901–1958)发明回旋加速器。同位素的发现逐年增多。

1957年，据统计前苏联教材Н.Л.格林卡的《普通化学》稳定元素的同位素有259个，天然和人造放射性同位素已有600多种^[3]。这些同位素杂乱无章地放在“同一位置”上，并起名“同位素”(同一位置的元素)。笔者提出过“难道同位元素就没有像元素那样有排序规律吗？”的问题^[5]。

1962年，统计同位素约有800个，比19世纪末63个元素大十多倍^{[3, 5, 6]}。于是笔者提出“为同位素‘征席位’，在周期表里为同位素建立‘住房’”^[5]的想法。

20世纪70年代笔者提出，为了把“同位素原子量”和“元素原子量”区分开来，将“同位素原子量”改称“同位素中质和(中质和代号SNP)”，即中子数+质子数^[10]。

1983年已发现稳定同位素321个^[2]，比50年代多了62个。20世纪80年代，笔者注意到1945年8月6日投掷广岛的原子弹是92号元素铀U^235[12]，8月9日空投长崎的原子弹是94号元素钚Pu^{239[12 P.234]}，从而引起了笔者的兴趣。天然丰度最大的92号元素铀U²³⁸不能做核燃料，而丰度小的92号元素铀U²³⁵却可以做核燃料。同时，94号元素钚Pu²³⁹也可以做核燃料。比较92号铀U²³⁵和94号钚Pu²³⁹一切参数都不相同，唯独一个“参数”是相同的，于是笔者提出对应于“同位素中质和(代码SNP)”参数应该是“中质差(代码DNP)”(中子数−质子数)，即₉₂^铀U₅₁²³⁵和₉₄^钚Pu₅₁²³⁹的中质差(DNP)均等于51。

1990年，加拿大蒙特利尔Ahuntsic(奥浑特西克)学院的化学教授Dufour F. (弗南多·杜福) ^[12]创立了“三维的周期表”。他从1945年开始制作多种立体模型，且不断地加以完善(图1)。这种三维周期表不同于普通二维周期表的表示形式，他把第一至第三短周期和以后的第四至第七长周期分别安置在不同的层面上，表示出了周期律的基本对称性^[8]。

2000年，美国南卡罗莱那州高等学校科技展览设计师Alexander R. (若依·亚历山大)设计了“三维教具”的“亚历山大的元素排列”，其像一座连体三栋大楼，也是把第一至第三短周期和以后的第四至第七长周期，还有镧、锕两系分别安置在不同的大楼上，表示出了周期律的层次比邻和基本对称性。

因此，21世纪之前是构建“元素立体周期律”的萌芽阶段。

笔者在2001年和2002年分别在《河南科学》《河南商报》《同位素》等刊发表“元素立体周期律”初探和再探等论文，并提出同位素四参数(原子序数、中子数、中质和与中质差)^{[7, 9]}(图2)。

2003年，日本京都大学专攻超导性的物理学者Yoshiteru Maeno教授发明了像“笔筒式”的“圈簧式元素表”，其像一个带装饰品的“笔筒”。他是把“平面周期表”卷成圆筒，然后将第四至第七长周期拉成圆环，将镧、锕两系拉出在同一个圆心的一个偏心筒柱上。

2004年，笔者发表七探“元素立体周期律”^[10]。2005年，笔者又提出“同位素中心说”，发现放射类型转型规律及指出半衰期距“中心同位素”越远越短的规律^[13]。2006年，中国原子能科学研究院蔡善钰教授专著《人造元素》出版^{[11, 12]}，其中简介了笔者的“元素立体周期律”。同年笔者发表了“再论元素周期律的‘点、线、面、体’发展史”^[13]。

2009年，笔者蒐集、整理、捋顺、统计同位素总共为2, 786个(其中稳定同位素287种，放射同位素2499种)。

由21世纪开始笔者一直在蒐集、校对、整理、统计撰写《构建“元素立体周期律”》专著(还未出版。为什么要构建“元素立体周期律”？由于篇幅所限，以后叙谈)。

本著的模型都是以“门捷列夫元素平面周期表”为根基构建、发展、拓宽出来的“立体型”，因此“立体模型”的横坐标是“中质和”，纵坐标仍然是“周期”不变，而三维的竖坐标是“中质差”(中子数(N)－质子数(P)=中质差)。这样就形成了X、Y、Z(横轴、纵轴、竖轴)的三维模型^{[11, 12]}。

既然以时间为序，将化学元素周期表的发现和发展分为点→线→面→体四个阶段，“元素平面周期表”又根本无法容纳2, 786个同位素，因此构建“元素立体模型”是顺理成章、水到渠成的事。

从以上来看，尽管美国的“三维教具”还有些像“平面周期表”的变形之嫌，日本的“笔筒式”有点“玩具”或者“教具”之嫌，但它们都是在为探索拓展“周期表”而努力。而笔者构建“元素立体周期律”，毕竟是解决数千个同位素的“住宿”问题，因此认为20世纪下半叶是探索“化学元素周期律”的三维“立体阶段”。

21世纪“元素立体周期律”还要进一步补充、完善、发展。笔者提出“同位素中心说”，在“同位素中心说”中还有两个定律。构建“元素立体周期律”既能扩展“同位素化学”领域，又可深入探讨“核素结构”理论(此课题由刘长海研究员建议提出)，以及提出“‘氕氘惰’结团理论”，还有制作“小宇宙”模型假设等……，这是“再论”“展望阶段”，也是对“元素立体周期律”的未来展望。

20世纪末，笔者提出化学元素周期表的发现和发展分为点→线→面→体四个阶段，并提出拓展“元素平面周期律”，构建“元素立体周期律”。由以上“点、线、面、体”的分析，元素周期律的探索史表明：19世纪初之前对元素周期律的探索是一个一个元素“点”型的；19世纪上半叶对元素周期律的探索是线性“一维”的；19世纪下半叶到20世纪上半叶对元素周期律的探索是平面“二维”的；20世纪下半叶对元素周期律的探索是立体“三维”的。这就是元素周期律的“点、线、面、体”发展史。

笔者认为，“元素立体周期律”是元素周期律发展史上继“元素线性周期律”“元素平面周期律”之后的第三个阶段，对进一步揭示元素性质的内在规律性会有有益的启示，也是Менделее́ь“元素平面周期律”的一次拓展。