一、对低限的探求

人们认识低限的过程，大致可分成三个阶段；创建元素周期系理论的初级阶段；揭示周期律本质和建立现代周期系理论的阶段；现代周期系理论的充实和发展阶段。各个阶段主要是围绕着三个方面的问题而展开的。其一，位于氢前面的元素存在的可能性问题；其二，第一周期的结构问题；其三，氢在周期表中的位置问题。但是，每个阶段对这三个问题的讨论都不是等同的，而是各有其侧重。

Ⅰ．在以门捷列夫为中心的时代里，化学家们着重探讨了第一周期的结构问题和位于氢前面的元素存在的可能性问题。

氢是否为低限的问题，与第一周期的结构问题有着密切联系。如果搞清了第一周期的结构，那么，就有可能为确立氢的位置和低限提供规律性的逻辑判据。门捷列夫根据氢和锂的原子量之差（约等于 6）太大的事实，曾预言在氢和锂之间存在原子量约等于 3 的未知卤素。这一异常直到发现了氦之后，才基本上被消除。但是，限于当时的科学水平，门捷列夫难于理解第一周期只有 H-He 两个元素的反常现象，况且他又被束缚在以太思想之中，仍然坚持在 H-He 之间存在元素的观点，因而氢是否为低限的问题也无从肯定。

门捷列夫表述的元素周期律是以原子量为依据的。虽然他有成功的预言（指类硼、类铝、类硅等），但也遇到了钾原子量轻于氩、镍轻于钴、碘轻于碲的矛盾。门氏亦曾试图以证实有轻于氢的元素而为证明元素性质对原子量的依从关系寻求新的证据。但是，他假想的元素氨，后来已被光谱分析的结果所否定，而他关于以太元素的思想，也在现代科学的发展中消声匿迹了。

至于氢在周期表中的位置问题，当时未展开讨论。似乎那时的化学界都默认门捷列夫把氢放在第Ⅰ族的位置。

Ⅱ．1911 年卢瑟福提出的原子有核的结构模型理论，标志着人们对元素周期律的认识进入了新的阶段。1913 年他的学生玻尔提出原子结构的量子化轨道理论，完成了卢瑟福—玻尔原子结构模型的创立工作。同时，莫斯莱从元素的 X 光谱中发现了原子序数定律。所有这些成就，使门捷列夫发现的周期律在理论上实现了一次重大的飞跃，完全建立在科学的基础之上。元素周期律的定义重新表述为：元素的性质随着原子序数的增加而呈周期性的变化。这是由于元素原子的核外电子壳层结构随着原子序数的增

加而呈周期性变化的结果。所以，这个基本原理，既说明了周期系的低限应是原子序数为 1 的元素，又解释了第一周期结构的合理性，从而排除了在 H-He 之间存在元素的可能性。

留下来的问题就是氢在周期表中的位置问题。到了 20 年代，一方面，人们通过化学实践已更多地认识了氢的性质；二方面，原子的电子结构模型也为确立氢的位置提供了理论根据。所以，从这时开始，氢的位置问题就成了人们注意的重要课题。可是直至今天，还未取得统一的看法。归结起来，主要有三种观点。

认为氢应占据第Ⅰ族的位置。其根据是：从化学性质看，氢在化学反应中能呈现正一价状态，并能与碱金属正离子互换位置；从原子结构模型看，同第Ⅰ族碱金属原子具有相似的最外壳层电子构型；固态氢显示金属性质。
认为氢应占据第Ⅶ族的位置。其根据是：氢原子在化学反应中，能获得一个电子而形成类似于卤素的负一价阴离子，而与碱金属或碱土金属形成氢化物（这是氢与碱金属的重要区别）；从价键性质看，氢具有与卤素十分相近的非金属性质，在常态下能形成双原子分子，都属于共价键的性质，而且它们的离解能几乎分布在一条平滑的曲线上，呈现规律性的变化。
认为氢应占据既非Ⅰ族又非Ⅶ族的特殊位置。德国化学家安特罗勃夫第一个认为氢在周期表中应像一条横梁那样占据凌驾Ⅰ-Ⅶ族所有元素之上的原始物质的位置。到了 50 年代，苏联卡普金斯基坚持类似的观点，主张氢在周期表中占据既属于Ⅰ族又属于Ⅶ族的特殊位置。

Ⅲ．关于位于氢前面的元素是否存在的问题，在门捷列夫假想的元素被否定和认识到周期律与原子序数的关系之后，本应已经解决。但到 1932 年查德威克发现中子之后，思想重新活跃起来。有人由中子推演到电子，提出了 e--n0-H+序列的假想，认为可由 e 和 n 构成零周期。这种把基本粒子硬拉入周期表的做法是非常牵强附会的。

要重新判定氢是否为周期系的低限，不能不涉及到究竟如何看待基本粒子与元素的异同问题。在发现基本粒子的初期，由于认识很肤浅，而把它们错划为元素是不难理解的。今天，再也不可能有人把它们混为一谈了。人们已熟知：元素的化学行为是与原子的结构紧密联系在一起的。如果脱离了原子的电子结构，那么元素的化学行为就无从谈起。目前，化学已扩展到分子化学、原子化学、核化学、基本粒子化学四个层次。其中每个层次都与原子结构或类原子结构有关。奇异原子化学作为基本粒子化学的重要领域，已为人们区分原子和基本粒子提供了新的论据。

所谓奇异原子，是相对于正常原子而言的。一指正常的原子核不变，只是核外电子有一个被其它荷负电的粒子所取代而形成的原子；二指原子核外的壳层电子不变，只是核内质子被其它荷正电的粒子所取代而形成的原子。它们都是基本粒子在射入物质之后，由于损失了部分能量而被俘获或它俘获电子所成。人们已经研究了一些类氢原子的奇异原子，属于第一种类型的类氢原子（如μ-原子，π-原子等），都比正常的氢原子重；而有些属于第二种类型的类氢原子（如μ+子素，正子(e+)素等），却比正常的氢原子轻。能否把这些轻于氢的类氢原子看成位于氢前面的元素呢？我们认为，尽管它们的质量轻，可是核电荷仍等于 1，因而在周期表中只能

和氢同位。虽然已知氢有三种同位素(H、H2、H3)，但从“同荷异质”的概念看，把类氢奇异原子看成氢原子的同位素，比看成有别于氢的元素可能更合理些。

奇异原子虽然由基本粒子形成，但它们两者之间有根本的区别。奇异原子正像正常原子一样，起码要由一个荷正电的粒子和一个荷负电的粒子所形成，核外电子处于一个有心力场的作用之中。从类氢奇异原子的结构模式看，虽然它的原子半径比氢原子小上百倍，但比起基本粒子（质子、中子）的尺度大得多，大上近百倍。况且两者的内部作用力和结构模式有本质的区别，所以，把基本粒子体系和原子体系完全相混淆是违背科学道理的。

目前可认为，氢元素作为周期系的天然低限，是站得住脚的。从人工制造原子或合成元素的角度看，许多类氢原子的形成，只是丰富了氢作为低限的内容。是否可这样说，周期系的低限，既是清楚的，又是模糊的。关于如何对待氢在周期表中的位置问题，我们认为应着重研究氢原子

的特殊性，以便做到特殊的问题特殊对待。氢原子结构具有不同于其它一切元素的根本特征。氢原子只有核质子与核外电子的吸引作用，而不存在电子之间的排斥作用。当氢原子失去电子之后，它就转变成一个“光秃” 的质子，而不像周期表中其它元素的原子那样，当它们丢失外层电子之后，还保留着部分内层电子而构成原子“骨架”。所以，后者的直径在 0.2～ 3.3A 范围内，而前者(H+)的直径却只有 0.00001A。氢原子处在基本粒子（质子和电子）相结合就成原子，失去电子又变成基本粒子的边缘地带。这些大概就是氢原子具有非常特殊性的根本所在。所以，一定要把氢安置在周期表的某一固定位置，也许是很难满意的。而且有可能增加人为性，歪曲氢原子的本来面目。只有认清氢元素的本质特征，才能真正把握它的全貌。可是目前还不能说已经完全达到了这个目标。

今后，在探求低限方面，应把氢置于原子、核和基本粒子三个层次的交叉地带进行深入考察。为此，应继续重视奇异原子、反原子的研究成果，以便认清氢的特殊性质和地位。