少年书房 | 一本书深入了解元素的故事和我们的生活

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少年书房 | 一本书深入了解元素的故事和我们的生活
作为一门学科，估计学生没少抱怨过背元素周期表和化学公式的痛苦；而作为一门科学，化学实际上与我们的生活最息息相关。如何了解一个真实的化学世界，本期少年书房，我们将邀请科普作家、天文系博士孙正凡为我们推荐《元素的盛宴》，这是一本“你不需要事先复习化学课本，就能欣赏和理解到每一个元素精彩故事”的书。此为专栏第50 篇。

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中英文版《元素的盛宴》原版书名为《The disappearing spoon》

关于“元素周期表”的科普书已经出了很多种，为什么还要推荐这一本《元素的盛宴：化学奇谈与日常生活》？因为这是一位70后科学家从科学文献中倾心搜集来的元素八卦故事。这本书所谈的故事涉及到人类社会的方方面面， 战争、 商业竞争、恩爱情仇、科学竞争等，内容非常广博，你不需要事先复习化学课本，就能欣赏和理解到每一个元素的精彩故事。

作者山姆·基恩是一位年轻的美国科学家。他小时候生病的时候， 对体温计中摔出来的汞十分着迷，从而开始阅读和汞有关的文献，发现汞在神话、 医学、 历史上， 都有着许多趣事，从此有意地翻阅各种元素故事。他后来为 《科学》 等杂志撰稿， 长期活跃在学术圈。这为他收集、 整理资料提供了极大的便利，并保证了故事既精彩又真实。


被误解的“化学”和“元素”

对人们来说“化学”这个词似乎熟悉又陌生，陌生到甚至谈之色变。比如央视曾经播出过一个洗发水的广告，广告词说“本产品不含任何化学物质……”，那么这种洗发水只能是“真空”啦！因为实际上我们日常所见到的一切物质都是“化学物质”。

由此可见，“化学物质”这个词本身有点误导。因为无论是化学还是物理，世界上一切物质都是它们研究的对象，任何普通物质都是“化学物质”，也是“物理物质”。

化学研究的领域是原子和分子，以及它们通过电子排布发生的重组（也就是“化学性质”）。让我们心惊胆战的“化学物质”指的是实验和化工厂里合成的，以前自然界中不存在的新型物质，但实际上，新“化学物质”并不比“天然产物”更危险。

举个例子，我们生活中已经离不开“的确良”（即涤纶，一种合成纤维）到各种合成药物；反而是许多天然产物中不明成分甚多，从云南白药中的断肠草（含有生物碱等毒素），到蜱虫和毒蛇，始终威胁着我们的生命安全。可见天然或人工合成并不是评判物质的标准，如何认识和使用它们才是关键。

同样被误解的还有“元素”这个词。我们一般都说“化学元素”“化学元素周期表”，仿佛元素就跟化学挂钩。应该指出的是，元素周期表（the periodic table of elements）的名字中是不带“化学”这个词的。就连本书的副标题“化学奇谈和日常生活”，是从原副标题“and other true tales of madness, love, and the history of the world from the periodic table of the elements”简译而来，也误以为“元素”就是化学，其实本书内容远超出化学）。

“元素”这个词本身来自于古代哲学家对于世界本质的思考——“世界是由什么组成的” ，“元素”的意思即“基础”，这个汉语翻译精准地体现了哲学意味。元素是我们认识这个世界包括我们人体自身的物质基础。


古代和现代观念中的“元素”

在古希腊人眼里，我们居住的世界是由“土、水、气、火”四种元素组成的。原子论的倡导者留基波和德谟克利特认为把物质一直分割下去，直到不能再继续分割为止，最后得到的就是世界最基础的基本组成单元，就是原子（atom，即不可分割的），原子加上它们之间的空隙就是元素的基本组成形式。

这种思想和中国古代的“五行”观念是类似，即世界万物是“金、木、水、火、土”五种“中国元素”组成的，不过中国没有产生“原子”的概念，而是以连续的“气”的概念来解释，如《庄子·天下篇》提出“一尺之捶，日取其半，万世不竭”，认为一尺长的棍子永远也分不完（实际上，如果这个操作可持续的话，只要两三月就到基本粒子层次了）。

现代科学诞生以来否定了“四元素”或“五行”理论，但把“元素”（“构成物质的基础”）的观念保留了下来。最初对元素性质进行研究和总结的都是化学家，这也是为什么它们习惯上被称为“化学元素”的原因。

1789年法国科学家、现代化学之父拉瓦锡发现了质量守恒定律，定义“元素”为用化学手段无法继续分解的基本物质。1805年英国科学家道尔顿复兴了古希腊科学家提出“原子”概念，认为用元素的基本组成单元是“原子”，化学反应就是不同种类的“原子”之间的重新组合，这就解释了为什么化学反应所用的物量总是符合某种整数比关系。

道尔顿认为，元素仅包含一种原子（即为单质），不同的原子组成化合物，从而明晰了原子和分子的概念。到1869年，已经发现了63种元素，这一年门捷列夫首次系统地总结出来了元素周期表。

但毕竟“原子”是看不见的，19世纪许多化学家和物理学家都不肯承认“原子”是客观存在的，直到20世纪初，物理学家、哲学家马赫和化学家奥斯特瓦尔德还郑重其事地提出对原子理论的严重质疑。

直到1905年爱因斯坦用原子理论解释了困扰科学界80年的布朗运动（花粉微粒在水中不停地运动），才从确认了道尔顿的原子理论，并计算出了阿伏加德罗常数和原子的质量大小。

而随后物理学家发现了电子、质子和中子等亚原子成分，又解释和修正了门捷列夫周期表中元素的排列顺序——元素的原子序数就是原子核里的质子数和核外电子数。化学反应就是各种元素的原子之间交换电子的过程。亚原子结构的发现，从微观上统一了物理和化学。

也就是说，现代元素概念产生只有两百多年，我们比较全面认识原子的概念只有一百年的时间。对于如此“崭新”的科学观念，难怪我们碰到它们的时候，总是疑虑重重了。还好，《元素的盛宴》这本书，将告诉我们元素和我们的历史以及日常生活的关系之密切超乎我们的想象。


元素、自然科学和我们生活

在许多词典的附录上，都有一张或繁或简的“元素周期表”，从小学、中学的时候我们就认识它了，如果读理科，从事自然科学相关的工作的话，一直读到大学、研究生，成为工程师、教授之后，还是要跟它打交道。在生活中，各种给儿童、老人补充钙铁锌锡等元素的广告每天对我们狂轰滥炸，就连某些不应该出现在食品中的元素，比如重金属镉、汞等也悄悄地通过工业污染进入我们的食物链。生活在科学时代，不管我们对“化学”和“元素”抱以什么样的情绪，我们再也无法离开科学了。

其实元素的历史也就是我们宇宙的历史。宇宙大爆炸理论指出，宇宙中最多的元素是氢和氦，它们是在从大约140亿年前宇宙诞生不久就存在了。更重的元素，是当恒星形成之后，在“恒星熔炉”中有不断地炼出来的。大概是因为这样原因，在天文学领域，把氦之后的所有元素都叫“金属”。

太阳发光之谜，人类曾经百思不得其解。达尔文在他的第一版《物种起源》中，基于生物进化和地质演变，推断地球已经存在至少3亿年之久了。但当时的物理学权威开尔文勋爵（威廉·汤姆孙）指出，如果太阳是煤炭燃烧这类化学能量维持的话，不到3000年就烧完了；如果是陨石撞击带来的引力势能维持的话，可以达到2千万年之久，这是当时发现的最有效的能源；所以达尔文的估计是令人难以置信的。

开尔文的评价成了达尔文的心病，他后来写信给华莱士说，“开尔文勋爵关于世界年龄的论断是最让我痛苦的麻烦之一。”

今天我们知道，太阳已经存在46亿年了，太阳的能源来自核聚变反应这种新型的能源——氢元素聚变成为氦元素。虽然历史最终证明，达尔文的推断比开尔文更接近真实（核能发现时，两位科学家均早已作古），但这个故事的意义在于，19世纪的生物学家和地质学家已经同意，化学、物理学提供的基础知识，是一切自然科学研究工作展开的基础。关于元素的研究，自然也是基础中的基础。

在我们周围的空气中，除了我们须臾不可缺少的氧气（占空气21%），剩下最多的就是氮气（占空气78%）。在1900年之前，氮气几乎没有用处，因为它几乎怎么参加化学反应。可氮元素却是生物体内的基本成分之一，占细胞质量（干燥）的近10%，没有氮就没有氨基酸、尿素。为了给农作物补充氮元素，欧洲要不远万里地从南美洲的智利运硝石。所以看着我们周围有这么多氮气，怎么不令人着急！

1900年，德国化学家弗里茨·哈伯终于研究出了怎么驯服氮气，他经历多道工序，把氮气加热到几百摄氏度，注入氢气，再加压到大气压力的几百倍，放入催化剂锇（一种重金属元素），把普通的空气变成氨，这是所有肥料的鼻祖。

氨可能也是今天30岁以上的人最熟悉东西，在20世纪80年代，为了发展农业，全国几乎每个县都建里的化肥厂，氨就是最基本的产品之一，化肥厂的废水都是浓浓的氨水味道。哈伯的贡献，使农业摆多了对农家肥的依赖，今天世界上有一大半人口吃的饭都离不开哈伯对氮气固化的研究。

不过哈伯的人生最后却陷入了悲剧。第一次世界大战期间，德国军方看中了哈伯的化学才能，把他召进了军队，研究毒气。以氯为基础的芥子气（有芥末味道的无色或黄色气体）在一战中杀死杀伤人数达到一百多万。而哈伯研制的一种杀虫剂的第二代产品，在二战中被纳粹用于毒杀了几百万犹太人，哈伯本人也是犹太人（1934年在流放后去世）。科学提供了我们认识世界的工具，但用于改善生活，还是制造悲剧，取决于使用工具的人。



新元素和科学家的恩怨

1869年门捷列夫公布的元素周期表中，只有63种元素，周期表中还到处都是空白（甚至存在错误）。因此发现新元素、命名新元素，在科学史上留名，是科学家梦寐以求的成就。

最初发现的新元素命名，还有规范可循。比如著名的居里夫人和丈夫皮埃尔·居里在1898年发现的了钋和镭，钋（Polonium）是为了纪念居里夫人的故国波兰（拉丁名为Polonia），镭的名字则来自“放射性”，因为它放射性比之前的元素都强得多。

1936年意大利科学家塞格雷和佩里尔从美国回旋加速器上拆下来的带放射性的废弃钼箔上，发现了原子序数为43的新元素，是钼获得中子后衰变产生的，这是第一种“人造”元素，根据希腊文“人造”命名为“锝”。这些命名或者根据其拉丁文含义，或者由发现者的命名，因为没有竞争对手，所以还没有什么争议。

铀（92号元素）之后的元素，都是通过人工合成，93号到100号元素的合成使用的是费米发明的中子俘获反应法：把铀-238放入核反应堆中，大量中子轰击铀原子核，有的会吸收若干个中子，然后发生衰变形成新的原子核。后来又该用阿尔法粒子（即氦原子核）轰击铀。

美国伯克利实验室的物理学家西博格和他的同事们在1940年以来，在20年里一鼓作气地发现了93—103号元素。在元素命名上，伯克利实验室也独创了自己的风格。

93号元素被命名为镎（Neptunium），词源海王星，因为它前面的92号元素铀（Uranium）的词源是天王星（是为了纪念赫歇尔发现第一颗新行星天王星）；94号元素接着被命名为钚（Plutonium）,词源是冥王星，当时也以为这已经是最后一个元素了。

1945年，西博格比较了镎和钚，发现它们与铀的性质相似，他对元素周期表进行改进，建立了与镧系元素相同的锕系元素，把它们一起放置在元素周期表的下方，成为今天形式的元素周期表。他还留下94号元素以后一系列的空位。

西博格领导的实验室发现并命名了95号元素镅（Americium）的意思是“美国”，97号元素锫（Berkelium）的意思是伯克利，98号元素锎（Californium）的意思“加利福尼亚”。

为了表示对前辈科学家的敬意，96号元素被命名为锔（Curium），意思是居里夫人，99号为锿（Einsteinium，即爱因斯坦），100号为镄（Fermium即费米），101号为提出元素周期表的门捷列夫，102号就是诺贝尔，103号是回旋加速器的发现者劳伦斯。在冷战期间以“敌国”科学家门捷列夫的名字来命名新元素，西博格希望以此表明，科学是远超越政治的。

104号及以后超重元素的发现都是由加速器合成的。这时苏联加入了竞争，1964年，苏联杜布纳联合原子核研究所用氖离子轰击钚-242首先得到了第104号元素，这引起了美国科学家的不满，1969年美国科学家也独立制造出了第104号元素。不过这时候苏联又获得了第105号元素，但经美国科学家检查，数据可能是错的，直到1974年双方又几乎同时获得了105号元素。双方在元素命名权上进行了激烈的竞争，由于竞争激烈，各国科学家之间多次发生命名上的争议。

1977年，国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）宣布以后的元素名称，不再使用以人名、国名、地名和机构名等来命名的方法，而采用拉丁文和希腊文混合数字词头加词尾“-ium”来命名，元素符号采用三个字母来表示,如114号元素命名为“unnilquadium”（即114ium），符号Unq。但是这种命名方法仍然存在争议。到1994年，IUPAC提出恢复原来的命名方式，重新由发现者提议名称，原本的数字命名法作为新元素被确认之前的临时名称。

20世纪90年代，竞争更加复杂了，德国重离子研究中心也获得了一些新元素。三方各自提出了各自的命名，互不相让。IUPAC不得不派出了一个9位科学家组成了仲裁委员会负责调解，最终调查结果要求美苏必须共享发现权。在美国的坚持下，第106号元素以西博格的名字来命名，从而开启了以在世科学家命名的先例。

新元素还在继续被发现，科学家、科学机构之间的科学、名誉竞争也将继续……

《元素的盛宴》还有更多的元素和科学家、生活之间的精彩故事，等着你去欣赏、微笑和思考……