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在圣彼得堡大学实验室的一所老房子里，有一位名叫门捷列夫的青年教授。他正坐在书桌前埋头编写普通化学教程的教义。面对要讲授的多种元素和化学定律，门捷列夫陷入苦恼，究竟怎么讲呢？讲到金属钾、钠、锂、铁、锰和镍时，怎么能够串起来呢？现在，他其实已经隐隐感觉到这些原子之间有着一些还未被世人发觉的联系。
他拿出几张卡片，每张上面都用笔大大地写出一种元素的字母表示符号、原子量和典型的性质。之后他开始依照元素的性质对这些卡片进行整理分类。
慢慢地，这位年轻的教授看出了点儿什么。他将所有元素按照原子量递增的顺序排成一排，排除少数例外的元素，发现一定数量之后会出现性质与第一张元素相似的元素，于是又从这张开始将那些性质相似的元素排在第二排，第二排排了7个，接着排第三排，这样安排好了17个元素。一列的元素性质是相似的，可也有不完全相似的，所以不得不调整空出一些位置。又接着往下排了17张卡片，再往下就比较复杂了，无法将元素归队。可是元素性质的重复性还是看得出来的。
门捷列夫把自己所知道的元素全部排进去了，排出一张特殊的表，表里除了某些元素外，其他均是按照原子量递增的顺序一个一个横排下去，而且性质相似的元素都上下对齐成一列。
门捷列夫于1869年排成的元素周期表
就在1869年3月，门捷列夫将自己的发现写了个报告递交给圣彼得堡理化学会。他已经意识到这次发现的重要意义，便开始专注于修正自己的表格。不久之后，他明白表里确实要留出空位。
“将来在硅、硼、铝下面的空位里一定会有新元素。”不久后，他的预言就被证实了，这三个空位里放入了新发现的三种元素镓、锗、钪。
就这样，门捷列夫做出了化学史上最了不起的发现。但是，你不要以为只是排排卡片那么简单，也不要认为门捷列夫不过是运气好。要知道那时候人们只发现了62种元素，而且原子量的测定有一部分还是错的，原子的性质也没有被研究透彻。所以只有深入探索过每一种原子，掌握这个元素和那个元素相似的地方和每种原子的“旅行路线”，才能取得这样的成就。
其实，当时也有另外几位科学家发现了元素性质的相似性。但是大部分的科学家觉得替元素找相似者这种想法很荒谬。比如，有一位名叫
纽兰兹
的英国化学家，他想发表一篇文章，文章主题是某些元素的性质随原子量的增加重复出现，却被英国化学学会拒绝了。另外一位化学家还嘲笑他说，如果纽兰兹把所有元素按着它们的字母顺序排列，或许会得出更棒的结论。哪怕是门捷列夫，在他提出自己的看法与老师讨论时，他的老师还批评他，说难道这些元素被他用这些卡片摆弄就能发现出什么规律吗？
想要发现自然界的基本定律，证明每种元素都服从这样的定律，并且可依据这个定律推导出元素的性质。这不仅需要天才的直觉，还需要坚持不懈、永不言弃的精神。这件事情只有门捷列夫做到了。他想出了自然界全部元素的相互关系，把元素有条不紊地整理了出来，发现了自然界的新定律——化学元素周期律。
门捷列夫元素周期表
门捷列夫在周期律上用了40年的工夫，在实验室里追寻化学的秘密至最深奥之处。后来，他进入度量衡检定局，用当时最精密的实验仪器研究测定金属的物化性质，得到的结果更加证实了周期律的正确性。他还到乌拉尔研究石油的起源，发现的结构也证实了周期律。门捷列夫临死前，把1869年排好的元素表一再修正，让后来的化学家们在他的周期表的指引下不断补充新元素，最终变成了我们现在所见到的门捷列夫元素周期表。
之后，科学家们发现门捷列夫周期表对于研究原子结构的规律性也是很好的指南。1913年英国物理学家华莫斯莱在研究元素光谱时，无意中发现元素表的另一个规律性，那就是原子的核电荷数等于元素的原子序数，而且原子核外的电子个数也等于原子序数。那些电子被原子核吸引在周围，顺着轨道旋转。比如，锂的原子序数是3，它的核电荷数是3，核外也有3个电子。
任意一个原子，它的全部电子都是按照一定的分布方式排布在原子核外的。离核最近的第一层K层上，除了氢是一个电子外，其他元素都排布了2个电子。第二层L层上，最多能排8个电子。第三层M层最多，是18个。第四层N层是32个。
最外层电子结构决定了原子的化学性质。如果最外层电子数是8，那么这个原子是非常稳定的。如果最外层是一两个电子，那么这个原子是非常容易失去这一两个电子的，失去之后，原子就变成了离子。比如，钠、钾、铷最外层是1个电子，它们就非常容易失去这个电子变成带正电的一价正离子。这时倒数第二层变成了最外层，这层有8个电子，所以离子很稳定不会再起变化。
镁、钙、锶和其他碱土金属原子，最外层是两个电子。它们失去这两个电子后就变成了稳定的二价正离子。氟、氯、溴和其他卤素原子，最外层电子数是7，它们非常想再夺过来一个电子，这样最外层就补够了8个电子变成一价负离子。
如果原子最外层是3、4或5个电子时，这些元素变成离子的趋势就不是很明显了。
原子核结构决定了这种元素的原子量和在自然界里的分布含量。而原子的核外电子数则决定了元素的化学性质和光谱情况。自从发现了这些规律，世界上所有的科学家都明白了门捷列夫的元素周期律是自然界最奥妙的规律之一。