元素的故事

以目前统计宇宙万物大约由 92种元素组成，也许还有更多未发现，它们永恒不变、不可再分，书把元素的前世今生写成一连串真人真事的探险，让你跟着科学家从 18 世纪一路“拆盲盒”，直到 20 世纪初掀开原子秘密的全过程，有意思有创意。

我们的世界由什么组成的？ 最早尝试回答这个问题的是古希腊的哲学家们，其中一个流派继承前人思想并结合对自然世界的观察后，抽象出了水、火、土、气四种基本元素。在科学方法尚未建立的年代，这种概括为人们理解世界提供了一个清晰而有力的起点。 这种思想的影响延续了两千年。直到18世纪，许多化学家仍认为空气和水是不可再分的元素。同时，化学领域还流行着“燃素说”，认为可燃物中含有一种名为燃素的物质，燃烧就是燃素的释放过程。这些观念在当时解释了不少现象，却也在很长时间内阻碍了人们对世界的真实组成的认识。 18世纪末，法国化学家拉瓦锡通过金属燃烧实验和精确称量，证明空气并非单一元素，而是由氧气和氮气组成；燃烧本质上是物质与氧气的化合成一种新物质的过程，从而推翻了燃素说。他还通过分解水的实验，证明水并非元素，而是由氧气和可燃气体氢气组成。到这一时期，人们已确认了30多种元素（当然这里边有些不是真正的元素）。 后来，意大利的科学家伏特发明了能够产生稳定电流的装置。英国化学家汉弗里.戴维利用电流分解化合物，从氢氧化钾和氢氧化钠中分离出了钾和钠，并进一步借助改进的实验方法分离出钙、镁、钡、锶等金属元素。到19世纪初，已知元素的数量增加到50多种。此后，化学家们通过各种实验手段不断发现新元素，但这一过程逐渐放缓。 在此之后很长一段时间里，人们几乎没有再发现新的元素，直到物理学家开始从光中寻找到重要的线索。关于光的故事要追溯到17世纪末：在剑桥的一个黑暗房间里，阳光透过小孔射入，牛顿用玻璃三棱镜将光折射，发现墙壁上出现一道彩虹般的光带。他反复实验后提出，白光由多种颜色光组成，红光折射最小位于最上方，紫光折射最大位于最下方；他又将不同颜色的光重新聚集，光又恢复为白色。 到了19世纪初，德国光学家夫琅和费用特制仪器将光谱拉得很宽，使其轮廓清晰且更长。他发现，保持仪器位置不变、分别以酒精灯、煤油灯、蜡烛等作为光源时，光谱上总会出现两条极其明亮的黄线。但当他以太阳光为光源时，这两条黄线消失，取而代之的是两条黑线。更细致的观察表明，太阳光谱中共有500多条黑线，即太阳光并非连续光谱。人们将这些黑线称为“夫琅和费线”，这一现象长期未被解释清楚。 19世纪中期，德国化学家本生利用瓦斯（即甲烷）发明了一种几乎可以产生无色的火焰的等，这种灯被称之为本生灯。他发现，将不同物质置于火焰中，火焰会呈现不同颜色：锶盐呈紫红色、钙盐呈砖红色、钠盐呈明亮黄色。当时的化学家早已意识到可以通过火焰颜色判断元素，但当多种物质混合时，颜色会互相叠加，难以区分。一次与他的朋友物理学家基尔霍夫散步时，他建议用光谱分析来观察火焰，从而清晰区分不同颜色成分。 他们在夫琅和费的光学仪器基础上，简化并改造成用于观察光谱的装置分光镜。本生灯本身几乎没有光谱，但只要在火焰中加入任何钠盐（如硫酸钠、碳酸钠或硝酸钠），黑色背景的光谱上就会出现两条固定位置的黄色线条。即使钠盐含量极低（约1/300000毫克），也能被识别。以同样方法观察，所有锂盐会产生一条明亮红线和一条较暗橙线；所有锶盐会出现一条明亮蓝线和若干暗红线。每种元素的光谱线组合像其独特的“身份证”，总会在相同位置、以相同颜色出现。由此，他们发明了一种可发现世界奥秘的神奇工具——光谱分析术。 一次，基尔霍夫让太阳光通过分光镜，发现形成的光谱中那些黑色的线（即夫琅和费线）种，代表钠的两条黄色线是黑色的。他突发奇想，如果在太阳光前加一个含钠盐的本生灯，会发生什么？结果显示，钠的那两条黑线变得更深，这一现象令人费解。我们可以总结下： 纯净本生灯中加入少量钠盐，通过光谱仪会出现两条明亮的黄线。 太阳光通过光谱仪会产生带有黑线的彩色光谱（夫琅和费线），黑线中有包含钠的特征的线。 太阳光前放置含钠盐的本生灯后，透过光谱仪观察到夫琅和费线，钠的特征黑线变得更深。 为了破解这一谜题，基尔霍夫想到了本生实验室里一种能够产生石灰光的装置。石灰光是同时向燃烧器中通入氢气和氧气并点燃，使氢在纯氧中燃烧产生高温火焰，再将火焰喷射到纯石灰棒（氧化钙）上，使其被加热至白炽状态，发出强烈而稳定的光。这种石灰光不涉及金属蒸汽的产生，这个装置可以产生像太阳一样连续颜色的光谱，不同的是它不会产生那些黑色的夫琅和费线。 当他将含钠盐的火焰置于石灰光前，观察到钠的两条黄色谱线消失，变成黑线。他由此推断：含钠的火焰不仅能发射黄色光线，还能吸收另外一个光源同样的黄色光，从而导致光谱中形成黑线。 基尔霍夫进一步推测，太阳表面的光在穿过太阳大气层时，会被其中的元素吸收，因此在太阳光谱中出现黑色的夫琅和费线。随后，他用实验室光源得到铁的发射60条光谱，发现其位置、宽度和清晰度与太阳光谱中的黑线完全一致，由此证明太阳中含有铁。以同样方法，他又发现太阳中存在约30多种其他元素。 本生作为化学家，也未停止寻找新元素。他在实验中发现了一些陌生谱线，最终发现了铯（拉丁文意为“天蓝色”，因其谱线呈浅蓝色），随后又发现了铷。 后来，两位法国天文学家在日食时用分光镜观测太阳，发现在钠的黄线位置出现了额外的明亮黄色谱线。日食时，原本吸收光的太阳大气被遮挡，变成了发射光的光源，因此那些黑线就会变成明亮的线。这就像在实验室里，将含钠盐的火焰和石灰光中间加了一个遮挡，传入分光镜的是含钠盐的光一样。他们由此发现了地球上尚未发现的元素，并将其命名为氦（希腊语意为“太阳”）。多年后，英国科学家拉姆塞在地球上找到了氦元素，并确认其在地球大气中存在，这是除氢外原子量最少的元素。 在光谱分析推动元素发现的同时，人们也开始意识到：这些不断增多的元素并非杂乱无章。19世纪中叶，俄国化学家门捷列夫将当时已知的元素按原子量和化学性质排列，提出了元素周期表。他大胆地在表中留下空位，并准确预测了几种尚未发现元素的性质，后来这些预测一一被证实，元素周期表由此成为理解物质世界的框架。 20世纪初，波兰的化学家玛丽·斯可罗多夫斯卡（即居里夫人）和她的丈夫皮埃尔·居里通过对放射性现象的深入研究，从沥青铀矿中分离出两种具有强烈放射性的新元素——钋（法语为居里夫人故乡波兰的意思）和镭。这项工作不仅带来了新元素，更开创了放射性研究这一全新领域，为后来一系列放射性元素的发现奠定了基础。 此后，随着实验技术的发展，人们又通过矿物分析、放射性研究和粒子加速器合成等方式发现或创造了更多元素。如今，人类已确认118种元素，其中既包括自然界中稳定存在的元素大概有92种。 从古希腊的四元素说，到如今的一百多种元素，人类终于读懂了组成这个世界的字母表。这漫长的探索历程告诉我们：世界是物质的，物质是可以认识的。正如书中那些为了捕捉一丝光线、一粒微尘而废寝忘食的科学家们所证明的——只要拥有好奇心、勇气、坚韧和实证精神，就没有解不开的谜。

【Mark五星好评】 很久没有看到让我这么振奋人心惶惶的书了，可能是因为作为一个工科生，内心更敬佩的还是这些探索宇宙探索世界的先驱，是他们的智慧他们的发明让人类更深刻地了解世界和宇宙的组成。当拉瓦锡执着火炬，戴森拿着电极，本生和基尔霍夫举着光谱分析仪器，以及居里夫妇手捧钋和镭两颗钻石走来时，会突然觉得物质财富是多么的渺小。可悲如今地人类，基础物理和基础化学似乎陷入了停滞，大众也不像以前前赴后佣去听科学家的最新研究报告，而是迷恋政客商人和明星。 ------------- 拉瓦锡的氧化学说，推翻了“燃素说”，并证明了水，空气不是元素，而火更不是元素，只是一种氧化反应。 戴森爵士，运用伏特和伽伐尼创造出的电流设备，成功从碱土中电离出钠，钾，镁，钙，钡，锶，铝，锆，铍等金属元素。 之后碘，锂，溴，铱、锇、铑、钯，钌也相继通过电解法发现。 化学家本生和物理学家基尔霍夫，基于元素的焰色反应和高精度的分光镜，通过光谱分析法，可以通过明线分析出物质的元素组成，为新元素的发现又提供新的解决方案。 （铯，铷，铊，铟）（通过明线在日食时又观测到了新元素氦） 另一方面，对照夫琅禾费暗线，找到一种分析天体行星组成和运动的方法。 门捷列夫根据元素原子量的不同，发现元素具有排列具有一定的规律性，列出了周期表。 而镓，钪，锗，等新元素的发现，验证了门捷列夫周期表的准确性 拉姆塞从普通空气中相继查出了氩，氖、氪、氙，氦（太阳的主要气体元素）！ X射线产生和磷光物质无关，只是X射线会照亮磷光物质。X射线产生是由高压作用真空管，阴极（钨丝等）高压受热产生高速电子流，轰击阳极（靶极），撞击过程中，电子突然减速，其损失的动能会以光子形式放出，形成X光光谱的连续部分，称之为制动辐射：同时电子，会将靶极原子内层电子撞出，外层电子跃迁产生0.1nm左右光子，行成X光谱中特征光谱（不连续光谱） 居里夫妇，从沥青铀矿中提取出了新的放射性元素钋和镭，也真正让人类迈进了原子时代，发现了质子中子和电子，甚至能人为地将一种元素通过高速粒子撞击，转变成新的元素

2025.01.31 写得很好的一本科普书，看完后对元素的旧体系如何修改、补充并完善成新体系有了很清晰的认知。 这个过程中的标志性事件如下:研究燃烧过程时发现空气也是可分的；通过天平称量，发现燃烧过程是可燃物和空气的结合，逐渐抛弃燃素学说；借助于新技术电离，从化合物中电离提取出了新的元素；光谱分析问世，发现了燃烧不同元素会产生不同光谱；出于化学只见树木不见森林的情况，门捷列夫发明了元素周期表；从空气中提取的"氮气"和从化合物中分离的氮气存在测量误差，由此为契机发现了惰性气体；探测到不可见光线，从而发现了放射性元素，并由此发现元素会衰变，一种元素原来可以变成另一种元素！

这本书细腻得像带着我穿越到了那些巨人的身边，看着他们一步步促使科学走到今天。 不破不立，科学是充满活力的。在日复一日地做实验、枯燥得连科学家都心灰意冷的实验室中也是这样，一点点在往日的废墟上建立新殿堂。 很多时候科学的事实和我们认为的事实之间有差别，甚至是颠覆的。它们使保守的人不安，可对于锐意杰出的灵魂而言，世界正因它们而缤纷多彩。

翻译得很妙，作为儿童科普书籍，读来引人入胜，毫不费力。 书里有许多知识我们已经获得，但这本书告诉了我们前因后果如何，讲述了大量细节。对部分人物经历和性格的描写也妙趣横生，比如发现了钠，镁等元素的戴维爵士同时也是社交达人，在疯狂工作的同时，舞会，聚会也是一场不落。因为没有时间换衣服，就在旧衬衫上再套一层新衬衫。 若推荐给青少年读，也能在传递知识的同时，展现科学家们饱满的人物形象，避免了机械而枯燥无味的无趣感。 每一项新发现背后都是严谨求实的态度，细致认真的等待，以及不可或缺的，好奇心与热情。 《朝闻道》里头讲，从智人长久地凝视头顶的星空到解开宇宙的奥秘，二者相隔并不久。 从舍勒、拉瓦锡等人从 18 世纪开始用实验的方法探索世间万物的构成，到 1867 年门捷列夫发现元素的周期律，期间也不过百年。 有这么多的发现，最初都因循着科学家们旺盛的好奇心。 有的发现歪打正着，基尔霍夫想通过分光镜去寻找地球上新的元素，结果却对遥远的太阳有了新的认识。 有时候错误的推测却导致了新的发现。使用磷光物质对X射线的研究又导向了铀射线的发现。 有时候新发现需要细致的观察和精密的计算，瑞利发现从空气和氨水中提取氮得到的物质质量存在微小的差异，由此发现了氩。拉姆塞对氩气性质的研究又导向了氦气的发现。 斯卡罗多夫斯卡对铀射线的研究催生了对钋和镭的发现。 有趣有趣真有趣。

读得酣畅淋漓，学习果然越学越舒畅，课堂中没时间展开的，但实际上不可或缺的科技史啊，化腐朽为神奇，化干戈为玉帛

作者用时间串联了近代以来化学领域接连的发现。氧气，碱性金属，惰性气体，放射气体，这些无不是对曾经的科学认知的突破。而门捷列夫的元素周期律，则是绘制了一份为了人们继续在化学这个宇宙中探索的地图。化学是我初中和高中时很喜欢的学科，但是现在我才意识到，当年课本上的一个实验，一条反应式，背后都有着多少先人的努力。

作为加试选择化学的人，再次复习了一遍曾经无比熟悉的人物名字和各种名词，虽然化学成绩对不起各位“列祖列宗”，但是理工科思维也让人明白，看不到的东西未必就是不存在，不相信的东西未必就是不存在的，独立思考是必备精神，恰恰就是一些看不见的东西构成了世界，社会运作的关键，有时活着就是为了追寻一些看不见的东西。

换了一个角度来学习化学。在学校里我们先学习：空气大体由氧气和氮气组成，氢气是一种无色无味易燃气体，氢氧化钠是种白色化合物，易吸水有腐蚀性，然后再去目睹氢气的爆破，氢氧化钠表现出的种种理化性质。但在追寻真相的过程中完全是相反的，科学家只能依靠看到，闻到的东西以及及其简陋的实验条件来一点点还原物质的真相，不断做出假设，再证实或推翻假说。废寝忘食一次次的实验，才在极其细微的所谓“误差”中找到真相。实践是检验真理的唯一标准，在实验实事面前，曾经坚如磐石的科学大厦一次次倾覆，但科学家不会固步自封，即使在今天，依然在无谓地前进。