公元1898年12月31日，农历光绪二十四年十一月十九日，京师大学堂开学。第一批原计划招生500人，因为戊戌变法失败，许多人都噤若寒蝉，所以招生工作进行得并不顺利，据之后一两年的文献记载，实际上仕学院学生27人，中学生151人，小学生17人，又附课学生43人，合仕学、中学、小学、附课生只有230余人。比崇实中学的学生多不了多少。但它却是中国近现代第一所国立大学，是当代北京大学、北京师范大学等著名学府的前身。
在开学那一天，孙元起作为学校第一批教习，有幸随着中文总教习许景澄、西文总教习丁韪良等参加典礼。之后，大学堂并没有立即开课，毕竟各省选送的学生还没有到齐，相关的准备工作还在缓慢的进行。不过这些都不是孙元起所关心的。孙元起给了老佟几十两银子，嘱咐他准备好送给卢瑟福、Thomas的礼物。剩余的钱，每日里买点食物送来。这段时间，孙元起一直躲在屋里写稿子。
那天，卢瑟福的建议确实打动了他，回来权衡良久，决定先写一本简单的小册子，交由卢瑟福带至加拿大，看看能不能有结果。因为卢瑟福打算1月6日动身赴McGill，以便赶上麦吉尔下学期的开学。所以，孙元起的时间就有些紧，只好每日呆在屋里写文稿。
小册子的名字已经拟好，就叫《从原子、原子结构到元素、元素周期表、分子及化学反应本质》。虽然名字都是与化学有关，其实核心还是原子物理学。事实上，在十九世纪末、二十世纪初，物理和化学并没有太分开，比如作为物理学大牛的卢瑟福，在1908年因对放射化学的研究荣获诺贝尔化学奖。再比如提出电离学说的瑞典天才阿伦尼乌斯，该获物理学奖还是化学奖，也曾让诺贝尔奖评委们产生分歧。在1901年首届诺贝尔奖评选时，他被提名物理学奖，但最终落选。1902年，声名鹊起的他又被提名化学奖，但仍然落选。可作为物理化学的创始人，阿伦尼乌斯的电离学说，在物理和化学两个学科里都具有很重要的作用。无奈之下，化学委员会提出给他“一半物理奖、一半化学奖”，甚至又提出“他获奖问题延期至第二年”。最后，委员会还是把1903年的诺贝尔化学奖给了他。
1869年，俄国科学家门捷列夫（DmitriMendeleev）发现了元素周期律和元素周期表，他将当时已知的63种元素依原子量大小并以表的形式排列，把有相似化学性质的元素放在同一行，就是元素周期表的雏形。门捷列夫在排列元素周期表的过程中，又大胆指出，当时一些公认的原子量不准确。如那时金的原子量公认为169.2，按此在元素表中，金应排在锇、铱、铂的前面，因为它们被公认的原子量分别为198.6、196.7、196.7，而门捷列夫坚定地认为金应排列在这三种元素的后面，原子量都应重新测定。大家重测的结果，锇为190.9、铱为193.1、铂为195.2，而金是197.2。实践证实了门捷列夫的论断，也证明了周期律的正确性。
在门捷列夫编制的周期表中，还留有很多空格，这些空格应由尚未发现的元素来填满。门捷列夫从理论上计算出这些尚未发现的元素的最重要性质，断定它们介于邻近元素的性质之间。例如，在锌与砷之间的两个空格中，他预言这两个未知元素的性质分别为类铝和类硅。就在他预言后的四年，法国化学家布阿勃朗用光谱分析法，从门锌矿中发现了镓。实验证明，镓的性质非常象铝，也就是门捷列夫预言的类铝。镓的发现，具有重大的意义，它充分说明元素周期律是自然界的一条客观规律；为以后元素的研究，新元素的探索，新物资、新材料的寻找，提供了一个可遵循的规律。
门捷列夫排列元素周期表是按照原子量大小来排列，并把相似化学性质的元素放在同一列。这些都是从元素的物理属性（质量）和化学属性（化学性质）来排布，并没有揭露元素之间最本质的差异。孙元起的论文就从这个角度着手。
论文从孙元起前两篇论文的结论写起，认为原子有原子核和核外电子层组成，因为电子带负电，所以原子核里应该有带正电的其他粒子，它们非常小，却拥有几乎整个原子的质量；它们结构非常稳定，拥有的正电荷数和质量几乎不变；原子核所带正电荷数，决定了该种原子属于何种元素，而原子核所带正电荷数也与原子核的质量——即原子量——存在正关联。
因为孙元起身边并没有实验器材，只好“设计”了1913年英国物理学家莫塞莱的实验：利用阴极射线撞击金属产生X射线。认为实验结果“应该”是金属的原子序数越大，X射线的频率就越高。因此可以从一个方面证明原子核的正电荷决定了元素的化学性质，原子序数在数量上等于原子核所带的正电荷，进而明确作为周期律的基础不是原子量，而是原子序数。
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