开始，他想按照元素的颜色排列卡片和比较各个元素，以便找出它们相互之间的内在的联系。他很快发现这行不通，因为任何元素在温度改变的时候，都可以由固态变为液态，甚至再由液态变为气态。而较少元素在不同的存在状态下，颜色并不相同。
碘在固态的时候是紫黑色，而受热变成蒸气的时候，却是很漂亮的紫色。液态氯是黄色的，而氯气却是黄绿色的。不但如此，有些元素，由于制取方法不同，结晶的形状就不同，颜色也不相同。例如磷，在不同的条件下结晶的时候，可以分别生成白色的白磷、红色的红磷和像石墨一样的黑磷。
后来，门捷列夫又想去比较各种元素的比重。可是，他发现，比重和元素的某些其他性质，如导电性、导热性一样，都不是元素的根本性质，它们都会随条件变化而变化。例如，温度升高，元素的比重就会减小，导电性也随之减小。他想，用比重来比较元素，并没有抓住本质，也是行不通的。
那么，究竟用什么作为排列和比较元素的依据呢？门捷列夫打开他所积累的资料，仔细地研究起前人失败的纪录来。他觉得，好好总结一下失败的教训，也许能找到一条成功的道路。
段柏莱纳的三元素组虽然包括的元素只有15个，但是，在他排列出的这5组元素里面，显然是反映出某种规律的。这就使得门捷列夫很自然地产生了一种想法：化学元素的原子量与其特性之间应当是有联系的。在学习和分析了前人各种各样的分类方法以后，门捷列夫逐渐明确了这样一种思想：应当抓住原子量这一元素的根本属性，作为元素列队编序的基础。
因为原子量是永久伴随着元素而又始终不变的量。
方向明确了，门捷列夫很高兴。他拿起那一叠卡片走到一张桌子前面，就像玩扑克牌游戏一样，一张一张地摆了起来。一条无形的线形成了。
人们在玩扑克牌的时候，多半是轻松愉快的，有时还带上点漫不经心的劲头。可门捷列夫的扑克游戏却实在让他绞尽了脑汁！
轻轻的卡片在门捷列夫手里就像一块铁板那样有分量，他把卡片一张接一张地摆成一行，每放下一张卡片，他就停下来思索一会。铍很使他为难，因为铍的原子量究竟是多少，在化学家中间是有分歧的。
当时，许多元素的原子量是这样测定的：通过实验可以测出某一种元素的当量，然后乘以它的化合价，便得到这种元素的原子量。这里所说的当量，是指这种元素同8份（重量）的氧或1份的氢化合的份数。在当时，已经能够比较准确地测定一个元素的当量；但是，要确定它的化合价，却常常会遇到很大的困难。拿铍来说，人们发现它的许多性质同铝很相似，便认为它是8价的元素，并且根据这一点把它的原子量定为：4.5（当量）8（化合价）=13.5。但是，后来又有人指出，铍的某些性质同镁类似，应当是2价元素，原子量当然也就应当定为4.52=9。门捷列夫在起初是赞同前面那种意见的，所以，在桌面上就出现了这样一个行列。
在这一行元素排成的队伍里，除了铍以外，其他元素的确排成了一个很有规律的队伍：随着原子量一个比一个增大，化合价从+1逐渐增大，然后再回到+1；元素的性质也是从强金属性逐渐过渡到强非金属性。这里的确是形成了一个周期性的变化。
可惜的是铍破坏了这个排列顺序，从化合价来讲，在+4和+5中间插进了一个+3，看起来实在有点碍眼。
究竟是元素之间并没有一个随原子量递增而出现性质递变的规律呢，还是铍不应该在这个地方出现呢？
卡片里蕴藏的秘密
门捷列夫重新把写着铍的那张卡片拿了起来，他在桌前踱来踱去。突然，他想起了另外一种观点，如果铍是镁的同类元素，它的化合价就是+2，原子量应是9。门捷列夫试着把铍的卡片按照新的原子量插到它应当放的地方——锂和硼之间。一向沉着的门捷列夫也不禁大为激动起来：“真是好极了！”无论从化合价的变化看，还是从金属性到非金属性递变的情形看，都是完全合适的了。不仅如此，挪了铍这张卡片，从原子量看，碳和氮中间就不再那么挤得慌了，锂和硼中间也就不那么松散了。
一排整齐而又有规律的元素队伍排列好了。门捷列夫又调动了一下“队伍”，让化合价相同的元素列在同一行上：
H=1
+1
Li=7Be=9.4B=11C=12
N=14O=16F=19+1+2
+3+4，-4+5，-3-2-1
Na=23Mg=24AI=27.4
Si=28P=31S=32Cl=35.5
+1+2+3+4，-4+5，
-3+6，-2+7，-1
K=39Ca=40+1+2
“元素的性质周期地随着它们的原子量而改变”的规律，就是这样地被门捷列夫找到了。
门捷列夫心中充满了激动和喜悦。一条无形的线，一条贯穿整个元素队伍的线，在门捷列夫的脑海里终于形成了！
预留空位
新的成果鼓舞着门捷列夫，但是，他知道，接着而来的肯定不是“顺利”两个字。
门捷列夫想的一点也不错，等着他的，的确是一个接一个的困难。
为了使元素的周期性变化看起来更明显和更清楚，门捷列夫从锂排到氟，又从钠排到氯，再从钾往下排到钙，情况都是叫人十分满意的：
H
LiBeBCNOFNa
MgAlSiPSClKCa
门捷列夫看了看这个方阵，满意地点了点头，打算继续往下安放手里的卡片。没想到，立刻就出现了问题。
按照上边已经排出的方阵，钙后边的元素应该是+3价的一个金属，它的原子量只应该比钙稍大一些。可是，就当时所知，按原子量说，钙后边的元素就是钛了。钛的化合价不但不是+3价，而且原子量也由钙的40竟然一下子增大到了50（钛的原子量当时认为是50，实际应为47.9）。而且，跟在钛后面的几个元素的性质，也同上一行相应的元素对不上号。出现了下面的局面：
Na=23Mg=24Al=27.4
Si=28P=31S=32Cl=35.5
+1+2+3+4+5+6+7
K=39Ca=40Ti=50
V=51Cr=54Mn=55
+1+2+4+5+6+7
这是门捷列夫取得新成果以后碰到的第一个难题。怎么办？
为了这个钛，门捷列夫一会儿站起来，一会儿又坐下去，烟斗里的烟冒个不停。他紧张地思考着。
想着想着，门捷列夫突然醒悟，他兴奋地大声说道：“这当中还缺一个元素——一个未知的元素！它应该位于钙和钛之间，是一个3价的元素，原子量应该是4.5左右。”然后，他拿出了一张空白卡片，写下了这个未知元素的几个数据。
当他把这张卡片放进方阵里以后，元素的队伍又整齐起来了。他轻松地舒了一口气。
就这样，门捷列夫第一次预言了一个新元素！
与此类似，门捷列夫还另外留出了两个空位，并且预言了他称之为类铝和类硅的两个元素的各种性质。
门捷列夫用给当时尚未发现的元素预留空位的办法，使得元素的队伍又整齐起来了。这就克服了阻碍前进的一大困难。
请回原位
改动铍的位置和改正它的原子量这件事使门捷列夫很受启发：这说明，在当时已经发现的63个元素里，可能还有测错了的原子量的元素。
哪些元素的原子量是正确的，哪些是错误的？它们混在一起，让你难以分辨。必须把测错原子量的元素找出来！门捷列夫给自己提出了又一个艰巨的任务。
这一次，门捷列夫没费多大工夫就想出一个好主意来。根据已经获得的结果，凡是原子量有错误的元素，肯定会排在它不该排的位置上，只要根据它的其他各种性质把它放回到它应该在的位置上，正确的原子量自然就大致清楚了。
修正铍的原子量使门捷列夫取得了经验，他开始对那些位置和性质不一致的元素，一个一个地进行细致地研究。
我们可以拿铟（In）来做例子。当时人们公认铟的原子量是76，所以应该排在原子量为75的砷和原子量为79的硒中间，但是铟和砷、硒的化学性质既没有相似之处，也没有递变的趋势：铟是金属，而砷和硒都是非金属。这显然是一个不合适的位置，就好像站队的时候一个大高个子没有站在队尾而站在排头几个小个子中间一样。因此，1869年，门捷列夫在排出第一张元素周期表的时候，他在铟（In）的前面画了一个大问号，并且把它放在表的下方，而没有放在砷和硒的中间。
提炼后的镉
后来，门捷列夫在对铟进行了仔细研究以后，根据它的化合价（+3价）和金属性的强弱，认定它应该列在硼这一族里，并且应该位于第五周期的镉和锡之间。但是，在这个位置上的元素，原子量绝不能是76，而应该是114左右。并且这个位置已经被铀（当时认为铀的化合价是+3价，原子量是116）占据了。
经过反复的考虑，门捷列夫根据铀的氧化物同铬、钼、钨的氧化物性质相似，认定它们应当属于同一族。因此，他判断铀应当是+6价，于是就把它的原子量增加1倍，修订为240，并且把它放到正确的位置上。这才为铟腾出了地方。然后，门捷列夫根据铟应当是3价元素的认识，把它的原子量修订为113.4（现代测定，铟的原子量为114.82），正确地把它放在镉和锡之间。这些情况在1870年的元素周期表上才得到反映。
门捷列夫在排列元素周期表的过程中，先后用这种请回原位的方法一共修正了近10个元素的原子量，还建议重新精确测定另外几个元素的原子量。
让元素对号入座
以后，门捷列夫连续奋战，终于在1869年3月1日把63个元素归纳到一个表格里去了，这就是最初的元素周期表。
元素周期表的诞生，开创了化学科学发展的新纪元。从此以后，各种化学元素之间再也不是彼此孤立、各不相关的了。有了周期表，人们不仅总结了已有的知识，而且可以预见未来，按图索骥，有目的地去发现新元素。
进入电子时代
在原子内部
19世纪末和20世纪初，为了探索原子内部的奥秘，一批批物理学家和化学家贡献了自己的劳动，终于使人们对于原子和原子的内部有了更多的认识。
原子有多大？它里面是什么样子？它是怎样构成的？这些问题都逐渐为人们所了解了。
原来，原子很小很小，如果把一亿个原子排成一行，也不过大约1厘米长而已。所以，它只是一颗颗非常小的微粒，小到既看不到又摸不着的地步。
可是，在这个如此微小的微粒里，也存在着一个组织周密、结构谨严的世界。我们把它叫做微观世界。相对微观世界来说，我们周围的这个大世界——太阳啊、月亮啊、地球啊、各种物体啊，等等，就叫做宏观世界。
在原子这个微观粒子中，有一个核，叫做原子核。原子核的周围有若干个电子在围绕它运动着。这种情形有点像我们所处的宏观世界的太阳系——太阳在中间，周围是绕它运动着的地球、火星、土星、天王星、海王星等。当然，这只是比喻，其实的情况并不一样。
在原子内部，原子核带有正电荷，电子带有负电荷。
地球绕着太阳运动而不会离开它的轨道，是靠太阳与地球之间的引力。原子里电子绕着原子核运动，是靠原子核的正电荷对它的吸引。
在原子中，原子核只占极小的一部分体积，因为原子核的直径大约只有原子直径的万分之一，但是原子的质量却几乎全部集中在原子核中。原予核虽然很小，但也有复杂的结构。在这方面，科学家还没有完全弄清楚，不过，大家公认原子核是由质子和中子组成的。
现在已经知道，质子和中子的质量几乎相等，而电子的质量却小得多，只相当于质子质量的1／1836。所以，原子核的质量几乎就等于整个原子的质量。
质子和中子虽然质量相同，带电情况却不同。质子是带电的，而且一个质子带的是一个单位的正电荷；中子既不带正电荷也不带负电荷。这就是说，原子核带的正电荷完全来自质子。一个原子核有几个质子，那它就有几个正电荷，这也就是原子的核电荷数。
同一个质子带一个单位的正电荷一样，一个电子带一个单位的负电荷。
原子是呈电中性的，因此，原子的核电荷数必然等于它的核外电子数。只有这样，质子带的正电荷和电子带的负电荷才能刚好抵消，原子对外也就不显电性了。
以上这些，就是人们到了20世纪30年代以后所知道的原子内部的简单情形。就是这些关于原子结构的知识，丰富了人们对于周期表的认识，帮助人们揭开了元素周期表里的许多秘密。
数原来就是质子数
原子结构的秘密被人们初步揭开以后，不少科学家都在考虑这样一个问题：元素的原子结构同它在周期表里的座位有没有什么关系？
一位年轻的英国物理学家莫斯莱，首先在这个问题上做出了重大的贡献。
在莫斯莱以前，有的科学家已经注意到，用不同的元素做成的X射线管中的靶子（对阴极），发射出来的X射线的穿透能力是不同的。原子量越大的元素，发出的X射线的穿透能力越强。这种具有特殊穿透能力的X射线被叫做特征X射线。
1913年到1914年间，莫斯莱系统地研究了各种元素的特征X射线。他借助于一种亚铁氰化钾的晶体，摄取了多种元素的X射线谱。他发现，随着元素在周期表中的排列顺序依次增大，相应的特征X射线的波长有规则地依次减小。莫斯莱根据实验的结果认为，元素在周期表中是按照原子序数而不是按照原子量的大小排列的，原子序数等于原子的核电荷数。
