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数学家们提出了周期表的一种新结构

元素周期表是对宇宙进行编目的一种令人欣慰的方式,它将宇宙分解成各种元素,并将它们组织在漂亮整洁的盒子里。你可能不知道的是,这并不是排列元素的唯一方法,甚至不一定是最好的方法。

我们已经看到了之前的几次怪异而精彩的重新设计,通常使用了流动的有机形状,比如螺旋和卷曲的丝带,甚至是3D“花”。

现在,马克斯普朗克研究所的数学家们已经有了详细的数学方法来对元素进行编目,创建了一系列复杂的超图,而不是目前普遍使用的更基本的元素周期表。

他们说,用这种方法,元素周期表可以以多种方式进行调整,根据元素的排列顺序提供许多不同的元素分类解释——没有一种方法比其他方法更正确。

你可以看到上面这个元素周期表的新结构的调整后的图像——它必须旋转90度来适应我们的位置。本文的底部列出了全部内容。

我们使用的元素周期表是在1869年——150年前的今年——由俄罗斯化学家德米特里·门捷列夫设计的。他当时根据63种已知元素的原子量排序。

今天,它们是按原子序数排列的——也就是说,原子核内质子的数量,从氢的1个到氢的118个。

还包括该元素的原子量、原子符号和一种颜色,这种颜色表示该元素所属的具有特定化学和物理特性的基团。而同一列的元素的外层电子数往往相同。

但现实并不总是符合这些漂亮整洁的盒子。例如,研究小组指出,科学家们并不总是能就镧和锕的归属达成一致。

但是超图解决方案允许更灵活的配置。根据该团队的研究,即使是按照原子序数来组织,它们也可以按照超图中许多不同的方式进行分组——例如,它们在水中的溶解度,或者它们所在的地质沉积物的类型。

数学家吉列尔莫·雷斯特雷波(Guillermo Restrepo)将该团队的解决方案比作雕塑。它投射的阴影取决于光线来自哪里。

“这个数字所投射的各种阴影就是元素周期表,”他说。

“这就是为什么有这么多方法来创建这些表。在某种程度上,周期表是投影。元素周期表内部结构的投影。”

建立元素周期表所需要的三个条件:它需要被排序、编目项目,如元素;需要根据原子序数、原子质量等特定性质进行排列;它需要根据一个标准进行分组,比如化学相似性。

雷斯特雷波说:“如果满足这三个条件,就可以为其他化学物质,甚至化学以外的物体制作元素周期表。”

“我们已经研究了近5000种由两种不同比例的元素组成的物质。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(例如与氧或氯、溴和碘)。因此,我们发现了可以用来对元素进行分类的模式。”

这个系统基于化学键,以一种新的方式重新排列元素。有些元素仍然聚在一起,比如卤素,因为它们以同样的方式结合;但是其他的是分离的,比如硅和碳,当它们成键时,会形成非常不同的化合物。

研究人员说,这是一个灵活的系统,可以跨多个学科进行定制——不仅是化学,还有工程学、环境科学和水文学等。

他们在论文中写道:“我们的研究结果有助于将网络理论推广到超图,在超图中,传统的网络描述作为一种图,正被抽象为超图,作为建模多个实体之间复杂关系的一种手段。”

“我们证明了超图是可以有序排列的,而由此产生的结构在150多年来一直是化学的核心。”

数学家们提出了周期表的一种新结构-有意思吧
(Guillermo Restrepo, MPI for Mathematics in the Sciences)

这篇论文发表在《皇家学会学报A:数学、物理和工程科学》(Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences)上。

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