元素週期表：複雜宇宙的簡潔圖表

什麼是元素週期表？
這份最廣為人知的科學圖表從何而來？
表上的元素是如何發現？怎麼命名？什麼樣子？
這些排列又代表什麼？
週期表問世後，百年來出現了上千種形式，
包括螺旋、同心圓、樹狀等等，
為什麼這麼多種？是否有最理想的版本？
關於元素，又有哪些最新發現？

打開牛津大學出版社最受歡迎通識讀本，
用最簡明的方式了解科學史上最重要的圖表。


元素週期表，
是所有人最熟悉的一張科學圖表，
它是化學研究的核心，也是人類掌握化學知識的重要工具。
週期表不僅幫助科學家不斷發現新元素，
使元素得到合理的分類，奠定了近代原子理論的重要基礎，
也讓我們得以預測元素的化學與物理性質，
以及可能的結合方式，成為現代各種科技突破的關鍵指引。

這張影響人類科學進展的重要圖表從何而來？
表上這些元素是怎麼被發現的？它們是什麼樣子？
科學家是如何找到元素之間存在的規律性與週期性？
什麼決定了元素在表上的順序？
哪些新技術被用來尋找空缺的元素？
相對論與量子力學又在哪些層面上影響週期系統？

本書簡要介紹元素的發現與分類、週期系統的建立與演變，
以及相關的重要科學家與軼事，
並收錄了包括1871年門得列夫發表的第一版等多種具代表性的週期表版本，
也討論一百五十多年來出現了近千種週期表，是否有最理想的版本？

透過本書，
你將全面認識週期表的重要性，
了解週期表不僅是枯燥的背誦，
還蘊藏了豐富的價值與無限的可能性。


【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

【你是知識控嗎？關於牛津通識課】

用最簡明直白的方式，了解現代人最需要知道的大問題。

牛津通識課（Very Short Introductions，簡稱VSI）是英國牛津大學出版社（Oxford University Press）的系列叢書，秉持「為所有讀者提供一個可讀性強且包羅萬千的工具書圖書館」的信念，於1995年首次推出，多年來已出版近700本讀物，內容涉及歷史、神學、藝術、哲學、文學、醫學、自然科學、政治等數十多種領域。每一本書對應一個主題，由該領域公認的專家撰寫，篇幅簡潔精煉，並提供進一步深度閱讀的建議，確保讀者讀完後能建立該主題的專業級知識框架。

【作者簡介】

艾瑞克‧希瑞
Eric R. Scerri

美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）化學系教授，主要研究領域為量子力學、科學史、科學哲學。於《科學人》（Scientific American）、《美國科學家》（American Scientist）、Cosmos等知名科學期刊上發表上百篇文章，著作包括A Tale of Seven Elements, A Tale of Seven Scientists and A New Philosophy of Science等等。

【譯者簡介】

胡訢諄

英國愛丁堡大學翻譯研究所畢業。譯作包括《創傷清潔工：與死屍、腐屋、精神疾病交手，擁抱生命中的混亂失序》、《理想的告別：找尋我們的臨終之路》、《下一個家在何方？驅離，臥底社會學家的居住直擊報告》、《嘉年華的誕生：慶典、舞會、演唱會、運動會如何翻轉全世界》等。
譯作指教：hsinchun.hu@gmail.com

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。

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

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。