元素的故事

以目前統計宇宙萬物大約由 92種元素組成，也許還有更多未發現，它們永恆不變、不可再分，書把元素的前世今生寫成一連串真人真事的探險，讓你跟着科學家從 18 世紀一路“拆盲盒”，直到 20 世紀初掀開原子祕密的全過程，有意思有創意。

我們的世界由什麼組成的？ 最早嘗試回答這個問題的是古希臘的哲學家們，其中一個流派繼承前人思想並結合對自然世界的觀察後，抽象出了水、火、土、氣四種基本元素。在科學方法尚未建立的年代，這種概括爲人們理解世界提供了一個清晰而有力的起點。 這種思想的影響延續了兩千年。直到18世紀，許多化學家仍認爲空氣和水是不可再分的元素。同時，化學領域還流行着“燃素說”，認爲可燃物中含有一種名爲燃素的物質，燃燒就是燃素的釋放過程。這些觀念在當時解釋了不少現象，卻也在很長時間內阻礙了人們對世界的真實組成的認識。 18世紀末，法國化學家拉瓦錫通過金屬燃燒實驗和精確稱量，證明空氣並非單一元素，而是由氧氣和氮氣組成；燃燒本質上是物質與氧氣的化合成一種新物質的過程，從而推翻了燃素說。他還通過分解水的實驗，證明水並非元素，而是由氧氣和可燃氣體氫氣組成。到這一時期，人們已確認了30多種元素（當然這裏邊有些不是真正的元素）。 後來，意大利的科學家伏特發明了能夠產生穩定電流的裝置。英國化學家漢弗裏.戴維利用電流分解化合物，從氫氧化鉀和氫氧化鈉中分離出了鉀和鈉，並進一步藉助改進的實驗方法分離出鈣、鎂、鋇、鍶等金屬元素。到19世紀初，已知元素的數量增加到50多種。此後，化學家們通過各種實驗手段不斷髮現新元素，但這一過程逐漸放緩。 在此之後很長一段時間裏，人們幾乎沒有再發現新的元素，直到物理學家開始從光中尋找到重要的線索。關於光的故事要追溯到17世紀末：在劍橋的一個黑暗房間裏，陽光透過小孔射入，牛頓用玻璃三棱鏡將光折射，發現牆壁上出現一道彩虹般的光帶。他反覆實驗後提出，白光由多種顏色光組成，紅光折射最小位於最上方，紫光折射最大位於最下方；他又將不同顏色的光重新聚集，光又恢復爲白色。 到了19世紀初，德國光學家夫琅和費用特製儀器將光譜拉得很寬，使其輪廓清晰且更長。他發現，保持儀器位置不變、分別以酒精燈、煤油燈、蠟燭等作爲光源時，光譜上總會出現兩條極其明亮的黃線。但當他以太陽光爲光源時，這兩條黃線消失，取而代之的是兩條黑線。更細緻的觀察表明，太陽光譜中共有500多條黑線，即太陽光並非連續光譜。人們將這些黑線稱爲“夫琅和費線”，這一現象長期未被解釋清楚。 19世紀中期，德國化學家本生利用瓦斯（即甲烷）發明了一種幾乎可以產生無色的火焰的等，這種燈被稱之爲本生燈。他發現，將不同物質置於火焰中，火焰會呈現不同顏色：鍶鹽呈紫紅色、鈣鹽呈磚紅色、鈉鹽呈明亮黃色。當時的化學家早已意識到可以通過火焰顏色判斷元素，但當多種物質混合時，顏色會互相疊加，難以區分。一次與他的朋友物理學家基爾霍夫散步時，他建議用光譜分析來觀察火焰，從而清晰區分不同顏色成分。 他們在夫琅和費的光學儀器基礎上，簡化並改造成用於觀察光譜的裝置分光鏡。本生燈本身幾乎沒有光譜，但只要在火焰中加入任何鈉鹽（如硫酸鈉、碳酸鈉或硝酸鈉），黑色背景的光譜上就會出現兩條固定位置的黃色線條。即使鈉鹽含量極低（約1/300000毫克），也能被識別。以同樣方法觀察，所有鋰鹽會產生一條明亮紅線和一條較暗橙線；所有鍶鹽會出現一條明亮藍線和若干暗紅線。每種元素的光譜線組合像其獨特的“身份證”，總會在相同位置、以相同顏色出現。由此，他們發明了一種可發現世界奧祕的神奇工具——光譜分析術。 一次，基爾霍夫讓太陽光通過分光鏡，發現形成的光譜中那些黑色的線（即夫琅和費線）種，代表鈉的兩條黃色線是黑色的。他突發奇想，如果在太陽光前加一個含鈉鹽的本生燈，會發生什麼？結果顯示，鈉的那兩條黑線變得更深，這一現象令人費解。我們可以總結下： 純淨本生燈中加入少量鈉鹽，通過光譜儀會出現兩條明亮的黃線。 太陽光通過光譜儀會產生帶有黑線的彩色光譜（夫琅和費線），黑線中有包含鈉的特徵的線。 太陽光前放置含鈉鹽的本生燈後，透過光譜儀觀察到夫琅和費線，鈉的特徵黑線變得更深。 爲了破解這一謎題，基爾霍夫想到了本生實驗室裏一種能夠產生石灰光的裝置。石灰光是同時向燃燒器中通入氫氣和氧氣並點燃，使氫在純氧中燃燒產生高溫火焰，再將火焰噴射到純石灰棒（氧化鈣）上，使其被加熱至白熾狀態，發出強烈而穩定的光。這種石灰光不涉及金屬蒸汽的產生，這個裝置可以產生像太陽一樣連續顏色的光譜，不同的是它不會產生那些黑色的夫琅和費線。 當他將含鈉鹽的火焰置於石灰光前，觀察到鈉的兩條黃色譜線消失，變成黑線。他由此推斷：含鈉的火焰不僅能發射黃色光線，還能吸收另外一個光源同樣的黃色光，從而導致光譜中形成黑線。 基爾霍夫進一步推測，太陽表面的光在穿過太陽大氣層時，會被其中的元素吸收，因此在太陽光譜中出現黑色的夫琅和費線。隨後，他用實驗室光源得到鐵的發射60條光譜，發現其位置、寬度和清晰度與太陽光譜中的黑線完全一致，由此證明太陽中含有鐵。以同樣方法，他又發現太陽中存在約30多種其他元素。 本生作爲化學家，也未停止尋找新元素。他在實驗中發現了一些陌生譜線，最終發現了銫（拉丁文意爲“天藍色”，因其譜線呈淺藍色），隨後又發現了銣。 後來，兩位法國天文學家在日食時用分光鏡觀測太陽，發現在鈉的黃線位置出現了額外的明亮黃色譜線。日食時，原本吸收光的太陽大氣被遮擋，變成了發射光的光源，因此那些黑線就會變成明亮的線。這就像在實驗室裏，將含鈉鹽的火焰和石灰光中間加了一個遮擋，傳入分光鏡的是含鈉鹽的光一樣。他們由此發現了地球上尚未發現的元素，並將其命名爲氦（希臘語意爲“太陽”）。多年後，英國科學家拉姆塞在地球上找到了氦元素，並確認其在地球大氣中存在，這是除氫外原子量最少的元素。 在光譜分析推動元素髮現的同時，人們也開始意識到：這些不斷增多的元素並非雜亂無章。19世紀中葉，俄國化學家門捷列夫將當時已知的元素按原子量和化學性質排列，提出了元素週期表。他大膽地在表中留下空位，並準確預測了幾種尚未發現元素的性質，後來這些預測一一被證實，元素週期表由此成爲理解物質世界的框架。 20世紀初，波蘭的化學家瑪麗·斯可羅多夫斯卡（即居里夫人）和她的丈夫皮埃爾·居里通過對放射性現象的深入研究，從瀝青鈾礦中分離出兩種具有強烈放射性的新元素——釙（法語爲居里夫人故鄉波蘭的意思）和鐳。這項工作不僅帶來了新元素，更開創了放射性研究這一全新領域，爲後來一系列放射性元素的發現奠定了基礎。 此後，隨着實驗技術的發展，人們又通過礦物分析、放射性研究和粒子加速器合成等方式發現或創造了更多元素。如今，人類已確認118種元素，其中既包括自然界中穩定存在的元素大概有92種。 從古希臘的四元素說，到如今的一百多種元素，人類終於讀懂了組成這個世界的字母表。這漫長的探索歷程告訴我們：世界是物質的，物質是可以認識的。正如書中那些爲了捕捉一絲光線、一粒微塵而廢寢忘食的科學家們所證明的——只要擁有好奇心、勇氣、堅韌和實證精神，就沒有解不開的謎。

【Mark五星好評】 很久沒有看到讓我這麼振奮人心惶惶的書了，可能是因爲作爲一個工科生，內心更敬佩的還是這些探索宇宙探索世界的先驅，是他們的智慧他們的發明讓人類更深刻地瞭解世界和宇宙的組成。當拉瓦錫執着火炬，戴森拿着電極，本生和基爾霍夫舉着光譜分析儀器，以及居里夫婦手捧釙和鐳兩顆鑽石走來時，會突然覺得物質財富是多麼的渺小。可悲如今地人類，基礎物理和基礎化學似乎陷入了停滯，大衆也不像以前前赴後佣去聽科學家的最新研究報告，而是迷戀政客商人和明星。 ------------- 拉瓦錫的氧化學說，推翻了“燃素說”，並證明了水，空氣不是元素，而火更不是元素，只是一種氧化反應。 戴森爵士，運用伏特和伽伐尼創造出的電流設備，成功從鹼土中電離出鈉，鉀，鎂，鈣，鋇，鍶，鋁，鋯，鈹等金屬元素。 之後碘，鋰，溴，銥、鋨、銠、鈀，釕也相繼通過電解法發現。 化學家本生和物理學家基爾霍夫，基於元素的焰色反應和高精度的分光鏡，通過光譜分析法，可以通過明線分析出物質的元素組成，爲新元素的發現又提供新的解決方案。 （銫，銣，鉈，銦）（通過明線在日食時又觀測到了新元素氦） 另一方面，對照夫琅禾費暗線，找到一種分析天體行星組成和運動的方法。 門捷列夫根據元素原子量的不同，發現元素具有排列具有一定的規律性，列出了週期表。 而鎵，鈧，鍺，等新元素的發現，驗證了門捷列夫週期表的準確性 拉姆塞從普通空氣中相繼查出了氬，氖、氪、氙，氦（太陽的主要氣體元素）！ X射線產生和磷光物質無關，只是X射線會照亮磷光物質。X射線產生是由高壓作用真空管，陰極（鎢絲等）高壓受熱產生高速電子流，轟擊陽極（靶極），撞擊過程中，電子突然減速，其損失的動能會以光子形式放出，形成X光光譜的連續部分，稱之爲制動輻射：同時電子，會將靶極原子內層電子撞出，外層電子躍遷產生0.1nm左右光子，行成X光譜中特徵光譜（不連續光譜） 居里夫婦，從瀝青鈾礦中提取出了新的放射性元素釙和鐳，也真正讓人類邁進了原子時代，發現了質子中子和電子，甚至能人爲地將一種元素通過高速粒子撞擊，轉變成新的元素

2025.01.31 寫得很好的一本科普書，看完後對元素的舊體系如何修改、補充並完善成新體系有了很清晰的認知。 這個過程中的標誌性事件如下:研究燃燒過程時發現空氣也是可分的；通過天平稱量，發現燃燒過程是可燃物和空氣的結合，逐漸拋棄燃素學說；藉助於新技術電離，從化合物中電離提取出了新的元素；光譜分析問世，發現了燃燒不同元素會產生不同光譜；出於化學只見樹木不見森林的情況，門捷列夫發明了元素週期表；從空氣中提取的"氮氣"和從化合物中分離的氮氣存在測量誤差，由此爲契機發現了惰性氣體；探測到不可見光線，從而發現了放射性元素，並由此發現元素會衰變，一種元素原來可以變成另一種元素！

這本書細膩得像帶着我穿越到了那些巨人的身邊，看着他們一步步促使科學走到今天。 不破不立，科學是充滿活力的。在日復一日地做實驗、枯燥得連科學家都心灰意冷的實驗室中也是這樣，一點點在往日的廢墟上建立新殿堂。 很多時候科學的事實和我們認爲的事實之間有差別，甚至是顛覆的。它們使保守的人不安，可對於銳意傑出的靈魂而言，世界正因它們而繽紛多彩。

翻譯得很妙，作爲兒童科普書籍，讀來引人入勝，毫不費力。 書裏有許多知識我們已經獲得，但這本書告訴了我們前因後果如何，講述了大量細節。對部分人物經歷和性格的描寫也妙趣橫生，比如發現了鈉，鎂等元素的戴維爵士同時也是社交達人，在瘋狂工作的同時，舞會，聚會也是一場不落。因爲沒有時間換衣服，就在舊襯衫上再套一層新襯衫。 若推薦給青少年讀，也能在傳遞知識的同時，展現科學家們飽滿的人物形象，避免了機械而枯燥無味的無趣感。 每一項新發現背後都是嚴謹求實的態度，細緻認真的等待，以及不可或缺的，好奇心與熱情。 《朝聞道》裏頭講，從智人長久地凝視頭頂的星空到解開宇宙的奧祕，二者相隔並不久。 從舍勒、拉瓦錫等人從 18 世紀開始用實驗的方法探索世間萬物的構成，到 1867 年門捷列夫發現元素的週期律，期間也不過百年。 有這麼多的發現，最初都因循着科學家們旺盛的好奇心。 有的發現歪打正着，基爾霍夫想通過分光鏡去尋找地球上新的元素，結果卻對遙遠的太陽有了新的認識。 有時候錯誤的推測卻導致了新的發現。使用磷光物質對X射線的研究又導向了鈾射線的發現。 有時候新發現需要細緻的觀察和精密的計算，瑞利發現從空氣和氨水中提取氮得到的物質質量存在微小的差異，由此發現了氬。拉姆塞對氬氣性質的研究又導向了氦氣的發現。 斯卡羅多夫斯卡對鈾射線的研究催生了對釙和鐳的發現。 有趣有趣真有趣。

讀得酣暢淋漓，學習果然越學越舒暢，課堂中沒時間展開的，但實際上不可或缺的科技史啊，化腐朽爲神奇，化干戈爲玉帛

作者用時間串聯了近代以來化學領域接連的發現。氧氣，鹼性金屬，惰性氣體，放射氣體，這些無不是對曾經的科學認知的突破。而門捷列夫的元素週期律，則是繪製了一份爲了人們繼續在化學這個宇宙中探索的地圖。化學是我初中和高中時很喜歡的學科，但是現在我才意識到，當年課本上的一個實驗，一條反應式，背後都有着多少先人的努力。

作爲加試選擇化學的人，再次複習了一遍曾經無比熟悉的人物名字和各種名詞，雖然化學成績對不起各位“列祖列宗”，但是理工科思維也讓人明白，看不到的東西未必就是不存在，不相信的東西未必就是不存在的，獨立思考是必備精神，恰恰就是一些看不見的東西構成了世界，社會運作的關鍵，有時活着就是爲了追尋一些看不見的東西。

換了一個角度來學習化學。在學校裏我們先學習：空氣大體由氧氣和氮氣組成，氫氣是一種無色無味易燃氣體，氫氧化鈉是種白色化合物，易吸水有腐蝕性，然後再去目睹氫氣的爆破，氫氧化鈉表現出的種種理化性質。但在追尋真相的過程中完全是相反的，科學家只能依靠看到，聞到的東西以及及其簡陋的實驗條件來一點點還原物質的真相，不斷做出假設，再證實或推翻假說。廢寢忘食一次次的實驗，纔在極其細微的所謂“誤差”中找到真相。實踐是檢驗真理的唯一標準，在實驗實事面前，曾經堅如磐石的科學大廈一次次傾覆，但科學家不會固步自封，即使在今天，依然在無謂地前進。