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数学家重新编制了元素周期表

元素周期表真是伟大的创见,它把宇宙中的所有元素,以漂亮整齐的分类方式安排得明明白白。您可能不知道的是,门捷列夫的元素周期表并非唯一的——甚至可能也不是最好的元素排列方式。

现在,马克斯普朗克研究所的数学家利用数学方法编制了新周期表——他们创建出一系列复杂的超图。

数学家重新编制了元素周期表

他们说,通过这种方式,可以从多重角度来刻画元素周期表——没有哪种解释方法比其他方法更为正确。

经典的元素周期表出现于1869年,距今已有150年的历史——由俄罗斯化学家Dmitri Mendeleev门捷列夫完成。他根据原子量为当时63种已知元素分门别类。

现在的化学元素周期表是根据原子序数从小至大排序的化学元素列表。列表大体呈长方形,某些元素周期中留有空格,使特性相近的元素归在同一族中,如碱金属元素、碱土金属、卤族元素、稀有气体等。这使周期表中形成元素分区且分有七主族、七副族、Ⅷ族、0族。由于周期表能够准确地预测各种元素的特性及其之间的关系,因此它在化学及其他科学范畴中被广泛使用,作为分析化学行为时十分有用的框架。

但并不总能把现实填写进漂亮、整洁的表格里。例如,有些科学家们不大赞同镧系和锕系元素的现有位置。

但超图方案允许更灵活的配置。根据该团队的说法,即使按原子序数组织,也可以根据有组织超图中的多种搭配方式进行分组——如元素在水中的溶解度,或者它们所处的地质沉积物类型。

数学家Guillermo Restrepo利用物体和影子作比喻。物体的阴影取决于光源的方向。

“元素是唯一的,但是从不同角度看,投影方向会变化,全体元素的一组投影就是周期表。这就是为什么可以用多种方法创建。”

创见周期表需要满足3个条件:对其进行排序,即编目项目;根据特定的性质排列,如原子序数或原子质量;根据标准对其进行分组,如化学相似性。

“如果满足这3个条件,就可以为其他化学对象创建周期表,甚至化学以外的对象。”Restrepo说,“我们研究了近5000种由不同比例的两种元素组成的物质。然后我们在这些数据中寻找相似之处。例如,钠和锂是相似的,因为它们以相同的比例与相同的元素结合(例如与氧气或氯气,溴和碘)。因此,我们发现了可以用来对元素进行分类的模式。”

该系统基于化学键,以新的方式重新排列元素。一些元素仍然归到一起,例如卤素,因为它们以相同的方式结合;但是其他的族的元素,如硅和碳——当它们结合时,形成非常不同的化合物。

研究人员表示,这是一个灵活的系统,按跨多学科定制——不仅仅是化学,还包括工程、环境科学和水文学。

他们在他们的论文中写道:“我们的研究结果有助于将网络理论推广至超图,其中传统的网络描述作为图形被抽象超图取代,作为模拟多个实体之间复杂关系的一种手段。”

该论文发表在《英国皇家学会会刊A:数学,物理和工程科学》。

本文译自 sciencealert

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