元素简史

　　一本书读懂元素周期表！150幅高清彩图。从元素开始，重新认识这个世界，118种元素，118个你可能不知道的故事

　　安妮•鲁尼（Anne Rooney）
英国科普作家，生于1959年
剑桥大学三一学院博士，曾任教于约克大学、剑桥大学
英国皇家文学学会成员，曾入围安万特科学图书奖
代表作有《身边的科学真好玩》《发现与发明》《科学全知道：那些古怪有趣的科学现象》等

序言 万物构成规则
从混沌到化学
第一章 物质是什么？
基本中的基本
古希腊奠基
有还是无？
四大元素的崛起
突飞猛进
第二章 日常可见的元素
物尽其用
元素创造历史
做得了管道，也下得了毒
天然财富
人类的铁器时代
神奇的“永生”金属
无名元素
火爆的元素
第三章 呼吸一口新鲜空气
无中生有
空气的“弹性”
混沌的气体
各不相同的“气”
燃烧与呼吸
破解呼吸与燃烧的秘密
新化学
第四章 新元素们
波义耳与元素
化学革命与拉瓦锡的元素
元素们开始现身！
从波义耳到拉瓦锡
镁与口渴的牛
小妖精、小精灵与新金属
采矿与金属
分解化合物
第五章 从微粒到原子
原子的“文艺复兴”
真正的原子
来自意大利的大发现
贝尔塞柳斯：正电荷与负电荷
化学大厦总算有了框架
第六章 追求秩序
三个一组或者四个一组
门捷列夫的突破
缺了一口气
朝着光的方向
遗失的空气及其他
混乱的质量和序号
第七章 解锁原子
从光线到粒子
电子即将登场
重新描绘原子结构
更多的射线
布丁变行星
原子真的存在！
电荷、序数和原子
空白和影子
化学反应真相大白
渴求完整
莫塞莱的发现得到了解释
第八章 天生的时间标尺？
新的观察方式
X射线、U射线和黑抽屉
“镭恐”
物质转换终于实现
转眼就消失
同位素：相似又不相同
如何制造元素？
迷失太空
加劲摆弄原子
超越铀，不容易
炸出来的新元素
强强联合
第九章 太空元素工厂
众神与群星
氦和氢
恒星制造
天然元素和原始元素
结语 万物与虚无
和宇宙对话

　　序言
万物构成规则
普遍的化学原理适用于整个宇宙。
——天体光谱学先驱哈金斯，1909年
我们生活的这个世界中，满是各种各样的物质。无论其中某种物质是否有生命，它都是由五花八门的化学物质构成的。而这些化学物质本身，也包含更基本的成分，这些成分就叫“化学元素”，其种类相当有限，不过才118种。它们是组成物质的“模块”，依各自原子形态的不同，有其各自的特性。元素们通过数不胜数的方式，组合成世间所有的化合物，既包括自然界中原本即有的，也包括人类在工厂和实验室里合成的。
杰出的英国天文学家哈金斯（W. Huggins）发现，不仅在地球上，即便放眼全宇宙，万物的基本构成也逃不出这些元素的范畴。他所说的“普遍的化学原理”，就建立在化学元素周期表这块基石之上。说起这张表，堪称近200年间标志性的科学成就之一。我们周围的物质本来显得纷杂不堪，但元素周期表一问世，就使它们在人类眼中呈现出了严密的秩序感——这是科学史上一个精彩绝伦的故事。通过这张表，我们就可以理解化学元素的反应和化合方式，进而预测化学反应的整个过程。有了这种认知，我们就能利用化学的力量制造全新的物质，满足我们自己的需求，比如治愈疾病或是释放原子内部的能量。
001
烟花就是对化学反应的精彩应用之一例。掌握了元素周期表，化学家们就能预测出不同化学成分反应后所产生的颜色
从混沌到化学
我们现在普遍使用的这张元素周期表，作为历史文献，其信息密度之高罕有匹敌者。它依据各元素的原子结构，给它们排了座次。而各元素的原子结构，又决定了其各自的性质和反应方式。但其实在周期表刚萌芽时，还没人知道原子的结构，甚至没人能确定原子究竟是否存在。
化学家们刚刚着手制订元素周期表时，人类已迈进19世纪的门槛。不过，与这张表相关的故事可以追溯到很久很久之前。古希腊哲学家思考物质的本质时，就提出了原始版本的“原子”概念，也设想了种类有限的一系列物质，根据不同比例结合起来，就能组成我们日常所见的各类物质形态。人类从古代启程，经过艰辛曲折的道路，才慢慢接近了这张表。在2000多年的漫长岁月中，这条道路都堪称“离经叛道”，直到公元1660年前后，才总算摸到了正确的门道。
本书讲述的故事以三个重大发现为里程碑。第一，人们认识到物质都由种类有限的基本化学物质构成；第二，人们陆续发现了各个化学元素；第三，人类总算知道了物质乃是由原子构成的。跨越这三座里程碑，仰赖于无数化学家、哲学家、热忱的炼金术士和核物理学家的杰出工作。在这个故事里，你会看到可怕的事故、不当操作的受害者，以及将心血倾注于科学进步的英雄们。总的来说，这是一个关乎精诚合作的故事：人们跨越时间和空间，朝着同一个目标奋力推进——揭示宇宙为何是这个模样。
你是什么做的？
尽管元素有118种之多，但有些元素比其他元素更为重要。例如在你的身体里，除了氧、碳、氢和氮，还有一些磷和钙，其他元素则微乎其微。氧占主导地位，达61%（按质量计），然后是碳（23%）、氢（10%）、氮（3%）、磷（1%）和钙（1%）。其他元素中，只有钾、硫、钠、氯和镁的比例超过0.1%。即使是血液中负责携带氧的铁，也只占0.006%，也就是只有百万分之六十。人体是一台微妙平衡的化学机器，但其中化学元素的种类相对而言却不算多。
地球上的海洋几乎全部由氢、氧、钠和氯组成，还有极少量的镁、钙、钾、硫和溴（各占不到0.1%）。地壳中的元素种类会多一些，但即便如此，98.8%的地壳也仅由8种元素组成：氧、硅、铝、铁、钙、钠、镁和钾。

　　基本中的基本
许多早期文化都有着大同小异的创世神话：虚空中创生了宇宙万物（往往借助神力），混沌中便创生了秩序。这时，某种单一的原初材料或元素，比如水或火，便形塑出多种多样的物质。也有另外一种情况：若干种基础元素混合起来，生成人们日常所见的各类物质形态。在古巴比伦人的宇宙观里，有土、水、天、风四位神灵。之后，古埃及和古希腊神话似乎觉得这个主意值得借鉴，也确立了四种元素或基本物质：土、水、气、火。诸多关于起源或创世的神话中，都描述过土、水分离，或者昼夜分割、光明与黑暗分裂之类的故事，即便在各种一神论体系中也不例外。
在原始观念中，一旦论及物质，那么土地、水和天空总要占据突出地位，这倒也在意料之中。它们代表着生命存在的三个领域，并且展现了物质的三种形态：固态、液态和气态。这种划分形态的方法完全与现代科学相契合，不过即便在前科学时代，二者之间的差异也显而易见。
四大（或五大）天王
古时候，土、水、气、火是所谓“基本元素”的四位常客。比如古希腊人就持这种观点，他们大概是受到古埃及人的启发，而古埃及人十有八九也不是原创，而是从西亚的两河文明那里借鉴来的。古代中国和印度经典著作中恰巧也有这四种元素。佛教文本里提及了四种，而印度教经典《吠陀》里则列出了五种：地、水、风、火，以及某种类似于虚无、空间或以太的东西。古代中国另有一种传统体系，列出了五种元素（也就是“五行”）：木、火、土、金、水（依相生顺序）。
元素最初被视为属性，而非物理成分。而说到中国的五行，或许更适合被理解成五种存在的状态或是能量。在东方传统里，“元素”（行）构成了医学、精神和存在的模型，但并没有演变成经验性的化学科学。
说到科学的诞生，我们便需要把目光转向古希腊。