【牛津通識課10】元素週期表：複雜宇宙的簡潔圖表

名人推薦：【好評推薦】
自門得列夫發表週期表後，一百五十多年來有許多人撰文介紹化學領域中最具代表性的系統。然而，唯有艾瑞克‧希瑞能以如此簡明扼要的方式，介紹元素週期表的來源、意義與最新發展。
──菲力普．鮑爾（Philip Ball），《自然》（Nature）雜誌編輯、英國科普作家

第一章 元素(摘錄)

古希臘哲學家只承認四個元素—土、水、風、火，這四個元素在十二星座的占星細分之中保留下來。這些哲學家中，有些相信這幾個不同的元素是由不同形狀的微小元件組成，因此能夠解釋元素的各種性質。他們認為四個元素的基本形狀是柏拉圖的幾何結構（圖1），完全由相同的二維形狀組成，例如三角形、正方形。希臘人相信地球由微小的立體粒子構成。他們之所以這麼聯想，是因為所有柏拉圖的幾何結構中，立方體擁有最大的表面面積。水具有流動性，是因為二十面體的形狀比較光滑，而火燒會痛，是因為火的粒子是銳利的四面體。風由八面體構成，因為柏拉圖的幾何結構只剩那個。後來，數學家發現第五個柏拉圖的幾何結構—十二面體，以致亞里斯多德提出可能還有第五個元素，或稱「精質」（quintessence），即後來所謂的以太。

今日，元素由柏拉圖的幾何結構構成的這種說法並不正確。但是，物質肉眼可見的性質，取決於組成物質的微小元件之結構，這樣的想法便是源自古希臘，並且成果豐碩。這些古代的「元素」一直流傳到中世紀以後，並增添了一些煉金術士發現的，他們可說是現代化學家的先驅。那些煉金術士最著名的目標就是實現元素蛻變（transmutation）。他們尤其想要將卑金屬鉛，變成貴金屬黃金。黃金因其顏色、稀有性和穩定的化學性質，使其成為人類文明史上數一數二的貴重物質。

但是，希臘哲學家除了將元素當成可能實際存在的物質外，他們還認為元素是一種原則，也就是能引發元素可觀察性質的傾向和潛能。元素的抽象形式與可觀察形式這兩者之間的細微分別，在化學發展上扮演重要角色，雖然近來這層較不易察覺的意義，連專業的化學家也不是非常瞭解。儘管如此，「抽象的元素」這樣的想法對某些週期系統的先驅， 例如元素週期表的主要發現者德米特里．門得列夫（Dmitri Mendeleev）而言，仍是根本的指引原則。

多數的教科書會說，揮別古希臘的智慧與煉金術、揮別對於元素本質那些神祕的想法，化學才真正起步。人們普遍認為，現代科學的勝利奠基於直接實驗之上，也就是說，只有可以觀察到的才算數。因此，這種較不易察覺，而且可能更根本的元素概念，毫不意外地經常遭到否決。例如，法國化學家安東萬．拉瓦錫（Antoine Lavoisier）便認為，元素應該透過經驗觀察來定義，這降低了抽象元素或元素作為原則的作用。拉瓦錫主張，元素應該被視為尚未分解為更基礎元件的實體物質。根據這個經驗標準，拉瓦錫於一七八九年發表一個清單，羅列了三十三個簡單物質，或元素（如圖2）。古代的四個元素—土、水、風、火，當時已被證明由數個更簡單的物質組成，自然也就不在清單之中。

從現代的標準來看，拉瓦錫清單上的許多物質，都有資格作為元素，其他像是lumière（光）與calorique（熱）已不再被當成元素。之後幾年，化學物質的分離技術和特性分析快速發展，有助化學家拓展這張清單。光譜學能夠測量各種輻射放射和吸收的光譜，這項重要的技術最終會產出非常準確的工具，能夠透過元素的「指紋」辨別每個元素。今日，我們已發現大約九十個自然存在的元素。此外，有大約二十五個人工合成的元素。


元素的發現

某些元素，像是鐵、銅、金、銀，自從文明伊始便為人熟知，代表這些元素能以分離的形式出現，或容易從礦物之中分離。

歷史學家和考古學家稱人類歷史上的某些時代為「鐵器時代」、「青銅時代」（青銅是銅和錫的合金）。煉金術士又在清單中加了幾個元素，包括硫、汞、磷。到了相對現代的時候，人類發現了電，於是化學家能夠分離許多較活潑的元素，這些元素不像銅和鐵，不能光靠木炭加熱礦石獲得。化學史上有幾次重大發展，幾年間就發現好幾個元素。例如英國化學家漢弗里．戴維（Humphry Davy）利用電，更精確地說，利用電解技術，分離大約十個元素，包括鈣、鋇、鎂、鈉、氯。

發現放射線與核分裂後，又找到更多元素。自然存在的元素中，最後七個被分離出來的是鏷、鉿、錸、鎝、鍅、砈、鉕，約在一九一七至一九四五年間。最後幾個需要填補的空缺，其中一個對應的是元素43，後來稱為鎝，源自希臘文techne，意思是「人造」。鎝是在放射化學反應中被「製造」出來的元素，這在核子物理學出現之前是不可能做到的。不過，現在我們知道鎝確實自然存在於地球上，雖然量極少。

元素的命名

元素週期表的吸引力，一部分來自元素個別的性質，例如顏色、觸感。元素的名字也相當引人入勝。化學家普利摩．李維（Primo Levi）是集中營的生還者，他寫了一本享譽各界的書，就叫《元素週期表》（The Periodic Table）， 每章都用一個元素命名。這本書寫的是他的親戚與友人的故事，但是每段軼事都來自李維對特定元素的喜愛而起。神經學家奧利佛．薩克斯（Oliver Sacks）寫了一本書叫《鎢絲舅舅》（Uncle Tungsten），訴說他是如何沉迷元素、化學，尤其元素週期表。更近期關於元素的書，有兩本大受歡迎，作者是山姆．肯恩（Sam Kean）和休．奧爾德西．威廉姆斯（Hugh Aldersey-Williams）。因此，要說元素對大眾具有相當的吸引力，其實並不為過。

發現元素以來的幾個世紀間， 命名的方式五花八門。元素61鉕（promethium）， 名稱來自普羅米修斯（Prometheus），這個神被宙斯懲罰，就因他從天堂偷火給人類。元素61與這個神話的關連在於分離這個元素需要英雄般的心力，類比普羅米修斯在希臘神話中冒險犯難的壯舉。鉕是少數幾個並不自然存在地球的元素，須從另一個元素「鈾」分裂的衰變產物提取。

某些元素的名字來自行星或其他天體。氦（Helium）的名字來自helios，是希臘文的太陽。一八六八年首次在太陽的光譜上觀察到氦；直到一八九五年才在陸地樣本中找到。同樣的，鈀（Palladium）的名字來自小行星帕拉斯（Pallas），而這個行星的名字則來希臘的智慧女神帕拉斯。鈰（cerium）的名字來自一八○一年發現的第一顆小行星穀神星（Ceres）。鈾（Uranium）以天王星（Uranus）命名，這顆行星和這個元素都在一七八○年代被發現。許多這類例子可見到神話的蹤影，例如烏拉諾斯（Uranus）是希臘神話中的天空之神。

許多元素因為顏色得名。黃綠色的氣體氯（chlorine）是希臘字khloros，指的就是黃綠這個顏色。銫（Caesium）的名字由來是拉丁文cesium，意思是灰藍，因為其光譜有顯著的灰藍線條。銠（rhodium）的鹽類常是粉紅色，所以這個名字來自rhodon，即希臘文的「玫瑰」。金屬鉈（thallium）的名字和拉丁文thallus 有關，意思是綠枝，發現的人是英國化學家威廉．克魯克斯（William Crookes）。鉈的光譜也有顯著的綠色線條。

第一章 元素(摘錄)

古希臘哲學家只承認四個元素—土、水、風、火，這四個元素在十二星座的占星細分之中保留下來。這些哲學家中，有些相信這幾個不同的元素是由不同形狀的微小元件組成，因此能夠解釋元素的各種性質。他們認為四個元素的基本形狀是柏拉圖的幾何結構（圖1），完全由相同的二維形狀組成，例如三角形、正方形。希臘人相信地球由微小的立體粒子構成。他們之所以這麼聯想，是因為所有柏拉圖的幾何結構中，立方體擁有最大的表面面積。水具有流動性，是因為二十面體的形狀比較光滑，而火燒會痛，是因為火的粒子是銳利的四面體。...

許多人曾撰文讚嘆元素週期表。這裡列舉幾個例子：

元素週期表是大自然的羅塞塔石碑（Rosetta stone）。對門外漢而言，那只是一百多個有號碼的格子，每格寫著一兩個字母，以一種奇怪的對稱排列。但是，對化學家而言，元素週期表透露物質的組織原則，也就是化學的組織原則。在根本的層次上，化學的一切都包含在元素週期表中。

當然，這並不是說化學的一切都明顯來自元素週期表。絕非如此。但是元素週期表的結構反應元素的電子結構，因此反應其化學性質與表現。或許更恰當的說法是，化學的一切始於元素週期表。
—魯迪．鮑姆（Rudy Baum），《化工新訊：元素特刊》（C&EN Special Issue on Elements）

天文學家哈洛．沙普利（Harlow Shapley）寫道：

元素週期表可能是人類迄今構思過，用於彙整知識最簡潔有力的表。元素週期表之於物質的功用，就像地質年代表之於宇宙時間的功用。元素週期表的歷史就是人類在微觀宇宙中征服的故事。

化學歷史學家羅伯特．希克斯（Robert Hicks）在網路播客（Podcast）上說：

所有科學之中，辨識度最高的圖表大概就是元素週期表。這張表已經變成我們的模範，說明原子和分子自行排列，創造我們所知的物質；在最細微的層次上，世界如何組織。縱觀歷史，元素週期表持續變化，添入新發現的元素，而被駁斥的，不是修正，就是移除。因此，元素週期表就像化學史的倉庫，為當今發展提供模版，亦是展望化學科學的基石……世界最基本的建構圖。

這裡最後一個例子，是以論述「兩種文化」（two cultures）而著名的物理化學家C．P．斯諾（C. P. Snow）：

（學習元素週期表時）我頭一次看到，各式各樣、散亂無章的事實被收拾得有條有序。小時候無機化學鍋裡的大雜燴，竟然就在我的眼前自行對號入座—彷彿一座叢林搖身一變成了荷蘭花園。

從上述的引言可知，元素週期表的非凡之處在於既簡潔又通曉，在科學界被視為真正的根本。元素週期表彷彿羅列所有物質的基本構成要件。而且多數人都知道元素週期表， 幾乎所有人，即使僅僅略微接觸過化學，學過的化學知識可能全都忘了，也會記得有那麼一張表。元素週期表幾乎就和水的化學式一樣為人所熟知，而且已經成為藝術家、廣告商，當然還有各類科學家的文化符號。

元素週期表不僅僅是教授與學習化學的工具，它也反映了世界上事物的自然順序，而且就我們所知，甚至是在整個宇宙中的自然順序。元素在週期表上分族，排成直行，如果某個化學家或學生，認識任何一族之中的典型元素，例如鈉，他就會清楚同族元素的性質，例如鉀、銣、銫。

更根本的是，從元素週期表固有的順序，可見原子結構更深層的知識，以及電子基本上在特定殼層與軌域包圍原子核。電子的排列位置回過頭來解釋元素週期表—廣義來說，為何鈉、鉀、銣等元素一開始會分在同一族。但更重要的是，理解元素週期表時，首先必須理解原子的結構知識，而這樣的知識已經運用到許多科學領域，先是於舊的量子理論有所貢獻，接著裨益量子理論更成熟的親戚—量子力學。量子力學這個知識體系持續作為物理學的基礎理論，不僅能夠解釋所有物質的表現，也能解釋各種形式的放射線，例如可見光、X射線、紫外線。

與十九世紀多數的科學發現不同，元素週期表直至二十、二十一世紀，都未被後來的發現推翻。反而是後來的發現，尤其現代物理學，令元素週期表更趨完善，而且排除一些剩餘的異常。但其整體形式與有效程度，用於驗證這個知識系統的力道與深度，始終完好無缺。

檢視元素週期表前，我們先考慮住在裡面的成員—元素。接著我們快速看看現代的元素週期表和某些元素週期表的變體，然後從第三章開始探討其歷史，說明當今的理解如何演變而來。

許多人曾撰文讚嘆元素週期表。這裡列舉幾個例子：

元素週期表是大自然的羅塞塔石碑（Rosetta stone）。對門外漢而言，那只是一百多個有號碼的格子，每格寫著一兩個字母，以一種奇怪的對稱排列。但是，對化學家而言，元素週期表透露物質的組織原則，也就是化學的組織原則。在根本的層次上，化學的一切都包含在元素週期表中。

當然，這並不是說化學的一切都明顯來自元素週期表。絕非如此。但是元素週期表的結構反應元素的電子結構，因此反應其化學性質與表現。或許更恰當的說法是，化學的一切始於元素週期表。
—魯迪．鮑姆（Rudy B...

序
再版序
第一章 元素
第二章 現代的元素週期表
第三章 原子量、三元素組、普洛特
第四章 邁向元素週期表
第五章 俄羅斯天才：門得列夫
第六章 物理學入侵元素週期表
第七章 電子結構
第八章 量子力學
第九章 現代煉金術：從失蹤的元素到合成的元素
第十章 元素週期表的形式
致謝
延伸閱讀

序
再版序
第一章 元素
第二章 現代的元素週期表
第三章 原子量、三元素組、普洛特
第四章 邁向元素週期表
第五章 俄羅斯天才：門得列夫
第六章 物理學入侵元素週期表
第七章 電子結構
第八章 量子力學
第九章 現代煉金術：從失蹤的元素到合成的元素
第十章 元素週期表的形式
致謝
延伸閱讀