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白春礼:探究物质世界奥秘的一把金钥匙

——纪念元素周期表发表150周年

2019-12-30 中国科学报
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  联合国大会宣布2019年为国际化学元素周期表年,旨在纪念俄罗斯化学家门捷列夫在150年前发表元素周期表这一科学发展史上的重大成就。

  世界万物是由什么最基本的物质构成的?这些最基本的物质又是怎样变成万物世界的?这是人类一直好奇并致力于破解的物质世界奥秘。150年前,门捷列夫发现了元素周期律并发表了元素周期表,成为打开物质世界奥秘之门的一把金钥匙。

  元素周期表把构成万物的基本元素组成了一个相互联系的完整体系,简单、清晰却非常深刻地揭示出复杂物质世界的内在规律。它的出现,使化学研究实现从现象到本质的根本性飞跃,是化学作为一门科学的重要理论基石。从这个意义上说,元素周期表对于化学的重大意义,完全可以媲美于同时代的麦克斯韦方程对于物理学、达尔文进化论对于生物学的重大意义。

  对元素的研究是近代化学最重要的内容,元素周期表无疑为预测和发现新元素指明了一条光明的道路。受限于当时的研究基础和条件,门捷列夫发表的元素周期表并不完善,最初只收录了氢、碳、金等63个元素,还留下一些空格。之后,科学家按图索骥,陆续发现了镓、钪、锗等新元素。20世纪初,镭、钋、锕等一批天然放射性元素的发现,成为化学发展最激动人心的一段历史。

  目前,寻找新元素进入到人工合成放射性元素和超重元素的新阶段,元素家族成员不断扩大,现在已有118个元素。元素周期表也不断修订完善,填满了整整7个周期,几乎是门捷列夫时代的两倍。这方面的工作中国科学家也发挥了重要作用。中国科学院近代物理研究所合成出30余种新核素,精确测量了50余种短寿命原子核质量。

  元素周期律作为化学研究中最重要、最基础的理论,科学指导了化学合成,极大推动了化工以及材料、健康、能源、农业等相关产业的发展。目前已有的化合物超过了1亿个,预计未来50年新化合物将超过6.5亿个。这些化合物成为我们衣、食、住、行等日常生活中不可或缺的重要物质基础,比如塑料、药物、化妆品等,极大地提高了我们生活、工作的质量,深刻影响了我们生活、工作的方式。

  元素的研究有力支撑了生物学、天文学、物理学等多个学科的发展。微量元素是分析和监测生命体系中新陈代谢、健康状况的重要指标,元素光谱为探测宇宙天体提供了最关键的技术手段,元素丰度为宇宙大爆炸理论提供了最有力的证据。

  化学作为最重要的基础学科之一,在门捷列夫发表元素周期表后相当长的一个时期,国际上还看不到中国化学家的身影。经过几代化学家的不懈努力,中国的化学研究与发展从无到有、从小到大,取得了长足进步。现在,我国化学基础研究和以化学为依托的化学工业迅速发展,在晶体材料、纳米材料、超导材料、催化材料等方面,取得了一批有重要影响的原创成果,高水平论文总量、高被引论文总数等都居世界前列,已经成为国际化学界的一支重要力量。

  在过去350多年化学发展史上,门捷列夫的元素周期表开辟了化学研究的一个崭新时代,门捷列夫身上体现的科学精神为科学家和科学研究树立了一个标杆。

  今天,我们纪念元素周期表发表150周年,就是要让更多的人始终能够认识到,科学是一项恒久的事业,重大科学创新都是几代人接续研究、不懈努力的结果,需要国家和社会的大力支持;就是要高度重视基础研究和原始创新,充分鼓励科学家始终保持一份好奇心,能够瞄准重大科学问题,执着专注不懈追求;就是要在社会公众中大力弘扬科学精神,传播科学知识,倡导科学文化,在全社会形成尊重科学、热爱科学、运用科学的良好氛围。

  未来,对元素的探索不会止步,更多的奥秘仍然有待发现。元素周期表是否有边界、还会如何扩展,是否存在超重元素稳定岛,甚至宇宙中是否有反物质存在?元素是如何组成化合物,化合物又如何从分子组装成团簇、纳米颗粒直至宏观物质?这些问题需要全世界化学界共同努力,共同回答和解决。

  未来,经济社会发展的各种重大需求和重大挑战,需要化学提供更好的解决方案。保障和提升人类生存和发展的质量,实现环境友好、绿色低碳的可持续发展,解决全球共同面临的气候、能源、环境和健康等重大问题,促进经济社会繁荣发展,化学还肩负重任,还有更加广阔的发展空间。中国化学家一定能为化学的未来发展作出更大的贡献。

  (作者:白春礼,中国科学院院长、党组书记)

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