牛津通识读本:元素周期表

元素周期表是化学科学的基石，在化学发展史上具有里程碑意义。元素周期表将物质的基本成分有序组织起来，反映出元素的电子结构、化学性质和反应行为，毫不夸张地说，几乎所有化学知识均起始于元素周期表。元素是怎么发现的？元素周期表是如何编制的？如何通过元素的排布推测元素的性质？有没有一份zui佳的元素周期表？本书以严谨又简洁易懂的方式，介绍元素的发现、周期表的来历，打通物理与化学的联系，让你轻松了解元素周期表的知识。

介绍元素周期表的书籍非常多，但《元素周期表》这本科普读物更加值得一读。此书用简短的篇幅、通俗易懂的语言总结了元素周期表的渊源、意义以及与元素相关的zui新发现，可读性很强。
——中国科学院院士，南京大学化学化工学院教授 郭子建
从门捷列夫发表元素周期表以来，一百五十年间，很多人都写书介绍过化学的这一具有象征性的系统。但要说能简明扼要地介绍元素周期表的渊源、意义与zui新发展，一定非埃里克·塞利的这本小书莫属。
——英国著名科学与科普作家 ，《自然》杂志顾问编辑 菲利普·鲍尔

致谢与献词
前言
第二版前言
第一章 元素
第二章 现代周期表速览
第三章 原子量、三元素组和普劳特
第四章 迈向周期表
第五章 俄国天才：门捷列夫
第六章 物理侵入周期表
第七章 电子结构
第八章 量子力学
第九章 现代炼金术：从空缺的元素到合成元素
第十章 周期表的形式
索引
英文原文

第一章 元素
古希腊哲学家只确认了土、水、气和火四种元素，它们都还保留在占星术对黄道十二宫的划分当中。那时的一些哲学家认为，不同的元素由不同形状的微小成分构成，这样就解释了这些元素的不同性质。他们设想，四元素的基本形状对应着柏拉图多面体，即由大小相同的三角形、正方形等二维图形拼成的立体图形。他们认为土由微小的立方体颗粒构成。如此联想，是因为在所有柏拉图多面体中，立方体每个面的面积zui大。
水能流动，可以解释为它具有正二十面体那种更流畅的形状；而人碰到火会感到疼痛，是因为火由正四面体这样尖锐的颗粒构成。气由正八面体构成，因为剩下的柏拉图多面体只有它了。一段时间之后，数学家发现了第五种柏拉图多面体，即正十二面体。这使得亚里士多德提出可能还存在第五种元素，即“精华”，也叫作以太。
如今，元素由柏拉图多面体构成的观念已然被视为谬误，但它是另一个硕果累累的观念的源头：物质的宏观性质由组成它们的微观成分的结构决定。这些“元素”一直很好地流传到了中世纪及之后，当中还添加了一些由炼金术士（现代化学家的先祖）发现的其他元素。炼金术士zui为人知的目标就是实现元素转化。他们尤其希望将贱金属铅转变成贵金属金，后者因其色泽、稀有程度和稳定的化学性质，自文明诞生起就是zui受珍视的物质之一。
不过，古希腊哲学家除了把“元素”看作实际存在的物质之外，还认为它们是一种原则，也就是能够引出元素物质外在性质的倾向与潜能。这种非常细致地区分元素抽象形式与外在形式的做法，在化学发展中扮演了很重要的角色，尽管当前即便专业化学家也不能很好地理解当中更微妙的含义。然而，抽象元素的概念为周期系统的各位先驱（比如主要发现者德米特里?门捷列夫）提供了基本的指导原则。
按大多数教材的说法，化学在抛弃了古希腊知识、炼金术和对元素本质近乎神秘的理解之后，才繁荣发展起来。人们普遍认为，现代科学胜在依靠直接实验，坚持可观测才可信的原则。元素概念中那些更玄妙，或者说更基本的意义渐渐不再被人接受，也是意料之中。例如，安托万?拉瓦锡的观点就是元素必须通过经验观察来定义，这降低了抽象元素或元素作为原则的作用。拉瓦锡认为，元素应当定义为一种尚待分割成更基本成分的物质实体。1789年，拉瓦锡发表了一份包含33种单质（或者按上面的经验标准称为元素）的列表。这份元素列表正确地抛弃了土、水、气、火四种古代元素：现在已经证明，它们都由更简单的物质构成。
以现代的标准来看，拉瓦锡列表中有许多物质都可以认定是元素。但剩下的如lumière（光）和calorique（热）等就不再是元素了。之后，分离和界定化学物质的技术突飞猛进，为化学家不断扩充这份列表提供了助力。光谱分析是一项测量不同物质的发射和吸收光谱的重要技术，它zui终发展为一种非常精确的方法，能够通过元素的“指纹”来确认各种元素。现在，我们已经识别出大约90种自然存在的元素。此外，还人工合成了大概25种元素。
元素的发现
像铁、铜、金、银这些元素，在文明诞生之时就已经为人所知。这说明了这样的事实：这些元素能够以单质形态出现，或者很容易从它们所在的矿石中分离出来。
历史学家和考古学家把人类历史上的某些时期称为铁器时代和青铜时代（青铜是铜与锡的合金）。炼金术士又向元素列表中添加了一些元素，比如硫、汞、磷等。在相对现代的时期，电的发现使化学家可以分离出许多性质更加活泼的元素—这些元素不像铜和铁，没法用矿石和木炭（碳）一起加热得到。化学史上有好几段重要的时期，研究者在几年内就能发现六七种元素。比如，英国化学家汉弗莱?戴维用电（或者更准确地说，用电解技术）分离出了十种元素，包括钙、钡、镁、钠、氯等。
人们发现放射性与核裂变之后，又发现了更多元素。自然存在条件下，zui后分离出来的七种元素分别是镤、铪、铼、锝、钫、砹和钷，分离时间在1917年到1945年之间。zui后填上的空缺是第43号元素，也就是锝。它得名于希腊语的techne，意思是“人造的”。它由辐射化学反应过程“制造”出来，这在核物理出现之前不可能做到。不过，现在我们知道，锝在地球上确实能够自然存在，只是含量非常低而已。

许多人zui初是在学校接触了元素周期表。它以原子序数、电子构型、重复的化学性质为依据，呈现了化学元素的排布。本书中，作者回顾了元素的发现与分类、周期表的编制与演化历史，介绍了多种元素的基本属性。作者还探讨了原子理论和量子力学如何逐步揭示原子结构的深层意义，从而使物理学得以“殖民”化学。本书尤其强调，量子力学对化学来说毫无疑问具有核心意义，它是所有元素及其化合物的行为基础，因此也是元素周期表的结构基础。此外，它还讨论了一个备受争议的问题：zui佳元素周期表应该采取何种形式。

第一章 元素
古希腊哲学家只确认了土、水、气和火四种元素，它们都还保留在占星术对黄道十二宫的划分当中。那时的一些哲学家认为，不同的元素由不同形状的微小成分构成，这样就解释了这些元素的不同性质。他们设想，四元素的基本形状对应着柏拉图多面体，即由大小相同的三角形、正方形等二维图形拼成的立体图形。他们认为土由微小的立方体颗粒构成。如此联想，是因为在所有柏拉图多面体中，立方体每个面的面积zui大。
水能流动，可以解释为它具有正二十面体那种更流畅的形状；而人碰到火会感到疼痛，是因为火由正四面体这样尖锐的颗粒构成。气由正八面体构成，因为剩下的柏拉图多面体只有它了。一段时间之后，数学家发现了第五种柏拉图多面体，即正十二面体。这使得亚里士多德提出可能还存在第五种元素，即“精华”，也叫作以太。
如今，元素由柏拉图多面体构成的观念已然被视为谬误，但它是另一个硕果累累的观念的源头：物质的宏观性质由组成它们的微观成分的结构决定。这些“元素”一直很好地流传到了中世纪及之后，当中还添加了一些由炼金术士（现代化学家的先祖）发现的其他元素。炼金术士zui为人知的目标就是实现元素转化。他们尤其希望将贱金属铅转变成贵金属金，后者因其色泽、稀有程度和稳定的化学性质，自文明诞生起就是zui受珍视的物质之一。
不过，古希腊哲学家除了把“元素”看作实际存在的物质之外，还认为它们是一种原则，也就是能够引出元素物质外在性质的倾向与潜能。这种非常细致地区分元素抽象形式与外在形式的做法，在化学发展中扮演了很重要的角色，尽管当前即便专业化学家也不能很好地理解当中更微妙的含义。然而，抽象元素的概念为周期系统的各位先驱（比如主要发现者德米特里?门捷列夫）提供了基本的指导原则。
按大多数教材的说法，化学在抛弃了古希腊知识、炼金术和对元素本质近乎神秘的理解之后，才繁荣发展起来。人们普遍认为，现代科学胜在依靠直接实验，坚持可观测才可信的原则。元素概念中那些更玄妙，或者说更基本的意义渐渐不再被人接受，也是意料之中。例如，安托万?拉瓦锡的观点就是元素必须通过经验观察来定义，这降低了抽象元素或元素作为原则的作用。拉瓦锡认为，元素应当定义为一种尚待分割成更基本成分的物质实体。1789年，拉瓦锡发表了一份包含33种单质（或者按上面的经验标准称为元素）的列表。这份元素列表正确地抛弃了土、水、气、火四种古代元素：现在已经证明，它们都由更简单的物质构成。
以现代的标准来看，拉瓦锡列表中有许多物质都可以认定是元素。但剩下的如lumière（光）和calorique（热）等就不再是元素了。之后，分离和界定化学物质的技术突飞猛进，为化学家不断扩充这份列表提供了助力。光谱分析是一项测量不同物质的发射和吸收光谱的重要技术，它zui终发展为一种非常精确的方法，能够通过元素的“指纹”来确认各种元素。现在，我们已经识别出大约90种自然存在的元素。此外，还人工合成了大概25种元素。
元素的发现
像铁、铜、金、银这些元素，在文明诞生之时就已经为人所知。这说明了这样的事实：这些元素能够以单质形态出现，或者很容易从它们所在的矿石中分离出来。
历史学家和考古学家把人类历史上的某些时期称为铁器时代和青铜时代（青铜是铜与锡的合金）。炼金术士又向元素列表中添加了一些元素，比如硫、汞、磷等。在相对现代的时期，电的发现使化学家可以分离出许多性质更加活泼的元素—这些元素不像铜和铁，没法用矿石和木炭（碳）一起加热得到。化学史上有好几段重要的时期，研究者在几年内就能发现六七种元素。比如，英国化学家汉弗莱?戴维用电（或者更准确地说，用电解技术）分离出了十种元素，包括钙、钡、镁、钠、氯等。
人们发现放射性与核裂变之后，又发现了更多元素。自然存在条件下，zui后分离出来的七种元素分别是镤、铪、铼、锝、钫、砹和钷，分离时间在1917年到1945年之间。zui后填上的空缺是第43号元素，也就是锝。它得名于希腊语的techne，意思是“人造的”。它由辐射化学反应过程“制造”出来，这在核物理出现之前不可能做到。不过，现在我们知道，锝在地球上确实能够自然存在，只是含量非常低而已。

埃里克·塞利，任教于加州大学洛杉矶分校化学系，主要研究量子力学、科学史、科学哲学。撰写有多部反响良好的元素周期表普及作品，除本书外，还有《七种元素的故事》《为什么是门捷列夫?元素周期表的故事、意义、哲理》《30秒探索神奇的化学元素：每天30秒解读50种极为重要的元素》等。