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镓(Ga):发现得太晚,未能列入门捷列夫的第一张元素周期表

大家好,好久不见。让我们来看看帕蒂的情况吧……

帕蒂盯着她新买的Apple® Watch,心里很满意。最让她高兴的是,她原本根本没指望会这么满意。她听过不少平平无奇的评价,本以为自己也不会太感兴趣。但到目前为止,她却爱不释手。诚然,它需要iPhone 5在附近才能正常使用。 不过,只需瞥一眼,她就能查看短信、当天的健身进度、室外温度、当天的会议安排,还能使用手表上的计算器等等。她几乎时刻都在使用它。这比从手提包里掏出iPhone要方便得多。此外,电池 的续航表现也远超预期。一天结束时,电量还有三分之二。

她看着表带,不禁暗自笑出声来。表带已经存在了几十年,总是有那个令人讨厌的销钉用来将表带固定在手表上。只有苹果才能设计出完美的表带。手表背面有一个小凹槽。只要按下去,表带就会滑出来。重新插回去后,表带就被牢牢固定住了。不过,这款手表最棒的地方在于——它是免费的!“日常科技”这门课的教授请她做一场关于Apple Watch的30分钟演讲。作为讲课费,学校为她支付了这块手表的费用。而且她还可以把手表留下来。

一款银色智能手表,配备圆形显示屏和侧边表冠,背景为蓝绿色。

Apple Watch 表带更换简便且坚固耐用。图片来源。

由于帕蒂这学期没有课,她还同意在另一门课《材料:文明的基石》上做一次讲座,因为该课程的教授要去参加为期几天的学术会议。帕蒂感到很高兴,因为她已经如此深入地融入了工程学院的文化,以至于这两位教授都会邀请她参与他们的课程。

她的讲座部分内容涉及门捷列夫对 元素周期表的构建。授课教授建议她考虑使用斯蒂芬·霍金《宇宙》DVD中一段10分钟的视频片段。该视频讲述了门捷列夫如何在一张大约名片大小的纸上写下原子量 和元素名称。随后,他根据元素的原子量 和物理属性 对元素进行分类,最终形成了元素周期表。

帕蒂一边看视频,一边看到那位演员放上了铟元素的卡片。

“等一下,”她心想,“到这个时候,铟已经被发现了嗎?”

她对铟产生了浓厚的兴趣,因为她的丈夫罗布正在撰写关于铟钛氧化物(氧化铟锡 ,简称ITO)的博士论文。她稍微查了一下资料,发现铟是在1863年被发现的,比门捷列夫完成其关于元素周期表的开创性研究还要早六年。所以,那段视频说得果然没错。

一幅油画肖像,画中是一位留着胡须、长着一头深色长发的男子,身穿灰色夹克,背景为深色。

门捷列夫在发现元素周期表前后。

随着视频的播放,旁白指出,门捷列夫最初的元素周期表中存在空白,并且门捷列夫曾预测,随着时间的推移,人们将会发现能够填补这些空白的元素。

帕蒂发现了一段TedEd视频,她认为这段视频对门捷列夫工作的解释甚至比斯蒂芬·霍金的视频更到位。帕蒂认为特别深刻的一点是,门捷列夫根据未知元素在元素周期表中的位置,预测了它们的属性 。 视频指出,他曾预测会发现一种原子质量约为68的元素。他将这种元素命名为“eka-aluminum”(类铝元素),因为它与铝位于同一周期,且在铝下方一行。1871年,他预测该元素的密度 为6 g/cc,熔点较低,导热性良好,且是一种有光泽的金属。他以惊人的准确度预测了所有这些特性,而eka-aluminum或 镓(Ga) 仅在四年后的1875年便被发现。

一份名为“Tabelle II”的德国历史元素周期表,其中元素按第I至第VIII族排列。

门捷列夫1871年的元素周期表。当时原子序数尚未被发现,因此他使用了原子质量。图片来源。

请注意,第68卷第原子量 页上没有内容。镓(Ga) 一文将于1875年插入此处。

帕蒂对铟镉(镓(Ga) )并不陌生,因为罗伯的研究涉及这种元素——在半导体 激光器和LED的制造中,它常与铟配合使用。她隐约记得罗伯曾对铟镉(镓(Ga) )的重要性感到兴奋,但记不清具体原因了。

这一天过得很快,不知不觉间,她已驶入自家车道,准备去看看今晚会有怎样的冒险。罗布早早到家了,正在做他拿手的自制芝士通心粉。那是外皮酥脆的那种,帕蒂一进家门就闻到了那诱人的香味。 晚餐过后,很快便是家庭时光。罗布和帕蒂约定,尽量少谈工作,多花时间陪伴两个年幼的儿子,专注于家庭生活。今天是星期二,他们家定为“西班牙语日”。在西班牙语日,全家人只说西班牙语。他们的双胞胎儿子已经能说会听西班牙语和普通话(星期四是“普通话日”)了,而且相当流利。

晚上8点,孩子们都上床睡觉了,帕蒂迫不及待地想跟罗布讲讲门捷列夫和“铵铝”的事。把整个故事都讲完后,她继续说道。

“我仍然认为,门捷列夫不仅能够预测镓(Ga) 一定存在,而且对它的实际物理性质属性 的描述如此接近,这一点确实令人印象深刻,”帕蒂表示。

“我同意。想想看。当他做出这一预测时,人们对材料几乎一无所知。科学家们甚至对原子是否存在都意见不一。你和我虽然都上过固态物理课,但恐怕也做不到他那样,”罗布回答道。

“镓(Ga) 目前是一种极其重要的材料,因为它被用于半导体激光器,尤其是LED 照明。如果没有镓(Ga) ,我们就无法实现白光LED 照明——因为制造蓝光激光器需要镓(Ga) 氮化物,”罗布接着说道。

“等一下!你先说的是白光,然后又说蓝光,我有点搞不懂了,”帕蒂打断道。

“没有白光LED。白光只能由红、绿、蓝三色LED组合产生。蓝光LED是由镓(Ga) 氮化物制成的,”罗布回答道。

“我知道白光LED 照明对未来很重要,因为它能节约电能。但我一直不太喜欢早期LED 灯具那种刺眼的蓝白色光。不过,这项技术正在不断进步,”帕蒂回答道。

“我读到过,大约20%的总用电量用于照明,而且LED灯每流明消耗的能量仅为白炽灯的1/7左右。仔细想想,镓(Ga) 确实是未来的一种重要材料,”罗布接着说道。

“真不知道门捷列夫当时是否料到,他预言的‘钾铝’,也就是镓,会如此重要,”帕蒂笑着说。

干杯

罗恩博士