玻尔无论研究哪方面的问题,都是紧紧围绕着探索原子结构这个中心问题展开的。为此,他又在探求元素周期表中所有各族元素的电子环带和轨道分布。
1921年10月18日,玻尔在哥本哈根的物理学会和化学学会的联席会议上,发表了题为《各元素的原子结构及其物理性质和化学性质》的长篇演讲,系统地阐述了他的关于原子结构和元素周期表的理论,引起了与会者们的强烈反响。
在此之前,玻尔曾在英国的《自然》杂志上发表过一篇关于原子结构方面的短文,其中介绍了他的几个新理论要点,这篇短文已在科学界掀起轩然大波,有些学者立即表示,人们应该等待玻尔的详细论文发表,在此之前,进行谈论任何原子结构方面的理论工作都是毫无意义的。果然,几篇正待发表的名家大作被作者主动撤回,他们拭目以待玻尔的新方案。
玻尔确实不负众望,在这篇演讲中,玻尔在他的理论和对应原理的指引下,考虑了周期表中从氢开始的各种元素的原子结构。运用光谱学数据向人们展示了他的原子设计,比较详细地勾勒了理论轮廓,这篇具有代表性的讲演,反映了20世纪20年代初期原子理论的水平。
讲稿很快被译成德文本和英文本,并被收集在几本论文集内,向世界迅速传播。讲稿中玻尔关于第72号元素的预言,引起了人们广泛的关注。
玻尔在阐述周期表的形成时,考虑了原子中各个电子组的发育过程。认为每个电子组能分成几个亚组,而每个亚组只能容纳有限个数的电子。
在电子组的逐步发育过程中,由于电子轨道的相互影响等原因,会出现几个明确划分的发育阶段,在每一阶段达到完成时,电子组会表现出一定的稳定性,这就标志着某一周期或某一元素族的结束。
当时已经知道周期表上的第71号元素(镥)是一种稀土元素,那么第72号元素会是什么,没有人能做出定论,只是有人提出它是稀土族的最后一种元素。假如这一说法属实,玻尔的理论就必须修改,因为玻尔认为该元素不再是稀土族,而应该是和第40号元素(锆)性质相近的一种元素。
玻尔的理论面临着挑战。为了让事实来检验真理与谬误,玻尔率领他的研究小组成员对有关元素进行考察,他们用X射线来研究各种含锆的矿物。
就在玻尔前来瑞典的斯德哥尔摩领取诺贝尔奖金的前夕,最后的检验尚未完成。玻尔急切地期待着这一消息。
夜深人静,为了准备获奖时的演讲,玻尔正伏案疾书。突然,一阵急促的电话铃声打断了玻尔的思路,话筒里传来了哥本哈根振奋人心的消息:
第72号元素找到了,它的化学性质与锆的性质极为相似,而与稀土元素截然不同!这是在这个研究所工作的匈牙利化学家亥威西发现的,亥威西原是卢瑟福的弟子,与玻尔友好而来工作的。
事实胜于雄辩,这则消息与获得诺贝尔奖同样令玻尔兴奋不已。玻尔在他第二天的演讲即将结束时,宣布了这一爆炸性的新闻。这种新元素命名为“铪”(Hf),它在丹麦文中是哥本哈根的旧名哈弗尼亚(Hafnium)的字头,以此铭记他们对化学事业的贡献。
几天来,哥本哈根研究所的同事们还沉浸在发现铪的激动中。有一天突然闯进来一位叫斯戈特的爱尔兰老化学家,声称他在1913年就做出了这样的发现,并拿出一试管东西,说这就是第72号元素,他把它命名为“钅亻居”。这么一来,问题忽然间复杂起来,它涉及到民族荣誉,个人名声等问题。
玻尔和整个研究所处于尴尬境地,大有被人指责有用他人成果沽名钓誉之嫌。玻尔给卢瑟福的信中说道:“这太可怕了,真是一塌糊涂。”
卢瑟福对玻尔的学识和为人最了解,他鼓励玻尔说:“这场新元素的戏可真够热闹的。别担心,我相信你们会得到公正对待的。”
唯有实验才能解决这个问题。大家取得一致的意见后,又和英国科学家进行了交涉,一些“钅亻居”样品被送到哥本哈根。经过检验,人们很快发现这些“钅亻居”样品里连一丝一毫的第72号元素的影子都没有。
尽管如此,玻尔对那位陷于窘境的爱尔兰化学家仍充满同情之心。他总是不惜花费任何代价,去避免伤害任何人的感情。他对别人最不客气的评论也只不过是“这挺有意思,挺有意思”而已。
他写信告诉卢瑟福说:“我真为斯戈特难过。我们还在继续研究他的样品,希望发现一些别的新元素。那样会使我们高兴些。”
不幸的是,样品里没有什么东西能挽回斯戈特的面子。
不过,这场争论却更加有力地证明了玻尔对周期表和元素周期性的形成所做的分析是正确的。玻尔的理论还表明,第72号元素铪(Hf)应该和具有22个电子的元素钛(Ti)以及具有40个电子的元素锆(Zr)相似。如果把元素排成螺旋形,铪正好和钛、锆在同一列上(如图所示右起第5列)。所以,它应该具备这两种元素的某些性质,而不具有位于它前面一位的稀土元素的性质。
铪的发现者亥威西的研究还表明,铪不仅在一切化学性质上与锆相似,而且还存在于所有的金属锆之中。在地壳中的各种储量丰富的金属矿物中,原来还有这种元素的存在!这可是人们从前不曾知道的事情。