关于本书

《你好，门捷列夫——知乎孙亚飞作品》/孙亚飞

出品人 周源

策划编辑 刘强 梅莹

营销编辑 胡晓曦

实习编辑 裴启航

校对 高正哲

设计 郝小好

联系我们 publish@zhihu.com

本电子书版权为北京智者天下科技有限公司所有，未经书面授权，不得在任何地区以任何方式反编译或节录本书内容。

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最后修订：2016 年 02 月 23 日

出版：浙江出版集团数字传媒有限公司

浙江 杭州 体育场路 347 号

互联网出版许可证：新出网证（浙）字 10 号

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网址： www.bookdna.cn  

本书电子版如有错讹，祈识者指正，以便新版修订。

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「一小时」电子书出版序

知乎创始人 周源

感谢你阅读知乎推出的「一小时」系列电子书。

「一小时」系列是什么？

这是一系列短小精炼的电子书。我们邀请了知乎各专业领域的知友在书中分享他们的知识、经验和见解。如果你足够认真，便可以在一个小时内读完一本书。

这里既有日常经济分析，也有人文历史，既有职场经验，也有生活中的科学。这些作者，都是我们精心为你寻找，在各个领域拥有独到见解的专业人士。而我们出版的每一本书，都会解释一个问题，分享一种思路，展开一个视角。

地铁上，入睡前，在这些细碎的时间里，挤出一小时的时间，静下心，读下去。

你很忙，但知识不慌张。

愿你从「一小时」开始，对这个世界，又多了一分认识。

序曲

1875 年 3 月，法国古典音乐家乔治·比才的歌剧代表作《卡门》在巴黎被搬上舞台。早在幼年时期，比才就展现了惊人的音乐天赋，他坚信自己的使命就是创作一部伟大的作品，而这样的作品非《卡门》莫属。

然而，《卡门》的首演反响平平，这让比才失望至极。心高气傲的他经受不了这样的打击，加上自己原有的顽疾，仅仅三个月后，这位天才作曲家在巴黎郊区与世长辞，年仅 37 岁。

比才的确创作了一部宏伟而不朽的经典——歌剧《卡门》取材于同名现实主义小说，入木三分的人物刻画以及气势磅礴的旋律让这部剧在全世界被不断重演，已然成为一种文化符号——但这都是比才去世之后的事了。

图1 比才创作的经典歌剧《卡门》剧照

舞台与旋律的融合，将 19 世纪的欧洲古典风格推向高峰。就在同一年的 10 月，又一部大戏在巴黎首演，只不过这一次剧场搬到了法国科学院，而演出者也换成了一群科学家。与《卡门》首演形成鲜明对比的是，这场演出大获成功，以至于世界科学史从此拐了个弯，而这部「戏剧」的作者却在千里之外的圣彼得堡运筹帷幄。

我们这部向古典流派致敬的篇章，便是从这次首演开始。

门捷列夫的预言

第一乐章

我们要说的这部大戏，其实是曲无声的旋律，作者是俄国的门捷列夫。实际上，早在首演的六年前，门捷列夫就已经在一堆格子中写下了这些「五线谱」，但没有人认为他的作品可以被称为真正的「作品」，就连他的导师都不能理解，认为这个行为很荒唐，是不务正业。

这部作品叫「元素周期表」，而「音符」则是一些被称为元素符号的拉丁文。门捷列夫认为，世界上所有的化学元素都可以在这块表格中呈现，并演绎出美妙而和谐的旋律。

然而无声的旋律该如何演奏？关注这部作品的人本就不多，而这个问题更是让为数不多的信徒们也无所适从。

于是两年后的 1871 年，门捷列夫改进了他的作品，并在表格中留了四个谜语——他宣称，这个世界上有四种未知的化学元素，他已经预测到会具有什么样的特征，如果找到它们，就可以聆听元素周期表的旋律了。

而前述的法国科学院首演，便是在这样的背景下进行。

 图2 设有「谜题」的元素周期表

这真是一次闻所未闻的演出——未知化学元素居然也是可以被预测的？我们不妨先来看看，门捷列夫设计的谜语到底是什么，为什么说解开谜语就能让元素周期表发出「声音」呢？

如今我们打开元素周期表可以清晰地看到，从序号为 1 的氢元素到序号为 112 的鎶元素，所有格子都已填满了，并且都有确定的中英文名称。然而，发现这些元素可不是一朝一夕的事，而是经历了漫长的数千年。

就在门捷列夫第一次推出元素周期表前，欧洲化学界刚刚经历了一段新元素不断被发现的高峰期，到 1869 年时，已经被确认的化学元素达到了 63 种（实为 62 种，有一种「钅笛」元素其实是稀土元素的混合物，而非单质）。显然还有一些元素并没有被人发现，而运用传统方法在当时却已经很难再发现新元素了。

这 63 个化学元素便是门捷列夫用来谱曲的「音符」。然而，当他用它们谱曲时，却敏锐地察觉到有一些音符之间并不和谐，旋律呈现跳跃感。据此他推测在这些跳跃的音符之间，还有一些新的元素正等待着被发现，于是他为这些新元素留下了空白的格子。

他并非是第一个注意到这个问题的人，但他却是第一个尝试对这些空白元素进行预测的人，而预测依据就是他对元素周期律的自信。

那么何为元素周期律？

就像乐谱中的「do-re-mi」是根据音调高低进行排列，并且每十二个音高构成一个周期一样，不同元素之间的变化也存在着某种递进规律，并同样呈现出周期性，这便是门捷列夫所认定的元素周期律。

根据测算，他预测未来将会有四种新元素被发现，分别与铝、硼、硅、锰的化学性质相仿，他分别为其取名为类铝、类硼、类硅和类锰。同时，他还预测了原子量、比重、熔点等参数。这四种被预测的新元素，便是门捷列夫在他作品中埋下的谜语。发现这些新元素，就意味着解开了这些谜语；而解开这些谜语，就可以印证元素周期律是否正确，这不就如同听到元素周期表的「旋律」了吗？

巧合的是，创作改版「元素周期律」的这一年，门捷列夫与《卡门》上演时的比才一样，也是 37 岁。然而他的运气甚至还不如比才，因为在此之后，这部作品一直无人问津，不禁让人怀疑，在他有生之年是否能看到自己作品上演的那一天。

不过，门捷列夫本人对此并不介意。他十分确信，他的作品无与伦比，并不断对其微调，等待有心人去解开谜题。

平静等待了四年之后，首演终于拉开大幕——法国科学院的布瓦博德朗解开了四个谜语中的「类铝」，由此发现了一种新元素，并将其命名为镓，测定了相关参数，元素周期律第一次得以被数据验证。然而这场首演似乎并不成功，布瓦博德朗的确听到了一段不寻常的「旋律」，但旋律却有一点刺耳——他测得镓的密度为 4.7g/cm3，与门捷列夫所预测的 5.9-6.0g/cm3 相去甚远。不过他也不得不承认，其他数据及性质与预测之间的匹配简直堪称完美，甚至门捷列夫断言「类铝将会由光谱发现」这事儿都被说中了。

图 3  镓元素（摘自「视觉之旅——神奇的化学元素」）

然而，一直注视着自己作品首演的门捷列夫对此却有着自己的看法。他给布瓦博德朗寄了一封信，认为密度问题并非是自己预测出现了偏差，而是实验产品的纯度不够，希望布瓦博德朗重新提纯再测量。

我们可以猜测布瓦博德朗收到这封信时，心里一定会想，这简直就是赤裸裸地装……（抱歉，这是作者的心理活动）。布瓦博德朗其实是这么想的：演出过程中出现了不和谐的音符，不去审查旋律本身是否谱得合理，倒先问起演奏者的责来了？

不过转念一想，布瓦博德朗也有些不踏实，其他预测都非常接近，单单密度差别这么大，确实显得很奇怪。本着对科学的不懈追求，他还是重新提纯并进行了测定——这一次的数据是 5.941，神奇地落在了门捷列夫所预测的区间。

于是，事件出现了大逆转，不只是布瓦博德朗对门捷列夫佩服得五体投地，全世界科学界的眼光都聚焦到了之前无人问津的「元素周期表」上。新元素的性质跟预测完美吻合，至少说明了两个问题：一是元素之间的确存在着周期性的规律；二是可以根据预测数据针对性地去寻找新元素。

在量子力学尚未建立起来的年代，大多数人并不认为元素之间是存在关联的。尤其我们都知道，近代化学脱胎于蒙昧时代的炼金术，而后者这种近乎于巫术的原始科学，本质上并不认为物质是理性而客观的，千百年来都在追寻一种所谓的「哲人石」，妄图藉此实现点石成金的梦想。直至门捷列夫所处的年代，仍有不少科学家还是在嘀咕，究竟是不是有一种未知力量在控制着这些元素，推动着它们发生变化？

此刻，门捷列夫终于揭示了这种「未知力量」，它并非来自神明，而是一种客观存在并可以被认知的规律——甚至，你还可以利用这种规律去探索一片你从未看到过的世界。

可以说，这一次的准确预测，是近代化学真正从蒙昧科学中脱离出来的标志，所以也就无怪乎恩格斯会对「元素周期表」赞赏有加，认为其足以与海王星的发现相媲美。

过誉了吗？

还真没有。

海王星的发现历程也是科学史上的一段传奇。这颗曾被伽利略几次忽略的行星，直到 1846 年才被真正被发现。它的发现并非源于无意之举，而是天文学家根据数学推算按图索骥得到的。这样的预测能够成功，改变的可不仅仅是一张太阳系家族谱，更改变了整个社会的科学观。

在文艺复兴时代早期，我们看到太多科学家遭受了迫害，科学进程也因此而放缓。本质上来说，这是因为当时科学的力量还很弱小，至少不像神灵可以给世人传达一些「预言」。但到了 19 世纪中期，科学终于蜕变了——它可以告诉你，在天空的某个角落里将找到一颗大行星，而你通过一支双筒望远镜果然就发现这颗大行星的倩影；它还可以告诉你，在某一类矿石中可能存在着某种元素，并给你附送一份高清「嫌疑人画像」，而你通过分离筛选，果然就能找到「嫌疑对象」——这时候，在可以亲自试验真伪的科学与看不见的神灵之间，科学渐渐占据了一席之地。

所以，门捷列夫的成功，击碎了炼金术士们的最后幻想——科学家们完全掌握了对化学元素的操控，一切都不必再借助于「哲人石」。

第二乐章

新行星被发现是一桩罕见的科学事件，因此海王星被预测似乎只能算孤证；而与天文学不同的是，未知的新元素在当时来说，还有很大空间——不要忘了，门捷列夫一口气就摆出了四个谜题！由于布瓦博德朗的成功破题，其他一些化学家也开始跃跃欲试。

又是四年过去了。

1879 年，失去比才后的欧洲并未就此消沉，依旧沉浸在古典音乐创作的高峰期，即便那些身处欧洲大陆边缘的地区也不例外——俄国的柴可夫斯基在这一年写下《第二钢琴协奏曲》，而英国的威廉·吉尔伯特与亚瑟·沙利文则创作了音乐剧《彭赞斯的海盗》，这些作品在日后都成为了经典。对于同样身居欧洲边缘的门捷列夫而言，这一年也非同寻常，因为他的又一道谜题被解开了。

这一次被发现的新元素是「类硼」，也就是学名叫做「钪」的金属，发现者则是来自瑞典的尼尔森——如果说布瓦博德朗是误打误撞验证了元素周期律，那么尼尔森的成功，则完全称得上是向元素周期律致敬了。

在元素大家庭中，钪这个家伙绝对可以称得上另类。

我们都知道，地球上的这些元素都是来自于远古某颗恒星爆炸后的残骸。恒星维持生命，依赖的是核聚变所产生的能量，一旦超稳定的铁核生成，聚变产生的能量无法再继续支撑其庞大的身躯，也就意味着恒星即将寿终正寝。但恒星的死亡过程是绚烂的，伴随的是剧烈的超新星爆发，也许不逊色于蟹状星云在公元 1054 年的「表演」。在这个过程中，铁核还会继续聚变为其他更重的元素，但含量就少得多了。所以，地球上丰度较大的元素，原子序数基本都在铁之前，所以这些元素相对也都更容易被发现。

图 4  钪元素（摘自「视觉之旅——神奇的化学元素」）

在门捷列夫第一次编纂元素周期表的时候，排在锌之前的元素中，除了氦、氖、氩因化学性质过于惰性未能被发现外，其他元素的发现历程基本都是前一个世纪的事，唯一空白的元素就是钪了。这个空缺让不少人错失发现元素周期律的机会，必定也是门捷列夫的心头之痛，因此他在作品中将其列为四大谜题之一。

钪元素在地壳中的丰度确实不高，但这绝非是它始终不被发现的原因，砷、锡这些「古老」元素的丰度其实都远远少于它——可见它不为人知是另有缘由。

实际上，钪隶属于一个大家族，也就是如今名满天下的稀土元素。这个家族共有 17 名成员，分别是钪、钇与镧系的 15 种元素，钪是元素序号最小的一个。这 17 种元素最大的特征是形影不离，它们在矿产中要么几乎不出现，要么集中在同一片地方，比如中国的白云鄂博，再比如瑞典。由于化学性质相仿，难以分离，故而这些元素被发现的时间普遍较晚，人们一度认为它们很稀少，所以称之为稀土。

在 19 世纪后期，研究稀土的时尚开始风靡欧洲，瑞典化学家在其中占尽地利。尼尔森本人是元素周期律的忠实信徒，得益于瑞典在稀土研究方面的良好基础，他决定精确测量这些矿物的性质，以验证元素周期律。由于一次偶然的巧合，他发现自己所测的镱原子量只有 167.46，低于另一位化学家马利纳克所测的 172.5，这让他有些诧异，但他很快就意识到，这应该是有轻元素混在其中了。

经过不懈的提纯工作，尼尔森终于成功地分离出了钪，并测定了它的性质。他在论文中饱含深情地表达了对门捷列夫的敬意；如果发生在现在，他大概会被冠以「门氏脑残粉」的称号。但这并不奇怪，只要看到他的数据与门捷列夫所预测的数据之间有多吻合，恐怕任何人都会成为「门氏脑残粉」。更让人感到不可思议的是，门捷列夫甚至预测到了「类硼」——也就是钪元素——不会通过光谱发现，可见他预测镓元素会被光谱发现也不能是蒙的——如此精准的预言，似乎只在一些宗教的经文中曾经出现过。

第三乐章

相比于前两次惊艳的演出，门捷列夫的第三个谜题被解开就显得有些平淡了——对于他无与伦比的推测能力，人们早已见怪不怪。

这一次轮到了「类硅」，也就是锗元素。德国分析化学家温克勒在 1886 年发现了它，并为之镌刻了自己祖国的名字（Germanium）。与尼尔森一样，他经过细致测量，证实锗元素与「类硅」几乎完美匹配，并向门捷列夫发去贺信。而此时，距离门捷列夫推测出锗元素的性质，已经过去了 15 年。

或许对于门捷列夫而言，这 15 年间不过只是收到几封贺信而已，但对整个科学界而言，这 15 年却不平凡。想想看，直到 1897 年，英国人汤姆生才发现并证实电子的存在，而正确的原子结构模型在 1911 年才由卢瑟福提出。换句话说，对我们而言，知道原子的微观结构，理解元素周期律并不难，但门捷列夫在提出这一规律时，是在完全不清楚原子结构的情况下，也许都没想过原子其实是可以分割的。看不到结构却要试图描述整体规律，这不就是成语「盲人摸象」所讽刺的现象么？然而门捷列夫这个「盲人」居然就真的摸出了「大象」的基本形态，甚至还推测出这头「大象」的运动规律，知道它将要去往何方——于是「盲人摸象」被生生改写成了一出「隆中对」。

然而，即便是门捷列夫，也没能完美地解决问题，至少在他活着的时候，未能看到他想要的结局。

我们都还记得，他在 1871 年推测出的新元素有四个，其中类铝、类硼和类硅相继被发现，类锰却始终不见身影，这不能不说是个遗憾。

有了之前的多次经验，并没有多少人怀疑这是元素周期律出现了问题，几乎所有人都肯定，在钼和钌之间，一定存在着某个元素，原子量在 99 左右，性质与锰相仿。但自此之后的几十年，所有努力都付诸东流，发现类锰的报告常有，但无一例外全是误报——难道真的是门捷列夫失手了？

消失的类锰，也就是现在排在元素周期表中第 43 位的锝（Tc），多数版本的周期表都会用红色字体特别标出这一元素以示区别，只因它具有放射性，也正是放射性作怪，使得无数科研才俊在探索类锰的道路上无功而返。

1937 年，门捷列夫已经整整辞世 30 年，桀骜的锝元素才通过人工合成方法得到，它也是人工合成的第一种元素，其名称 Technetium 源于希腊文的 Technetes，意指「人造」。担心门捷列夫出错的人终于可以松一口气了，之所以找不到类锰，是因为地球上并不存在这种元素，但这一次科学界也是一朝被蛇咬，十年怕井绳——整整十年之后，这一元素才被国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）所承认。

随后 「地球上不存在锝」这一观点也被推翻了。由于半衰期不够长，最稳定的 Tc-98 同位素也不过区区 420 万年，相比于 46 亿岁的地球来说不过须臾，因此地球诞生之日的那些锝，的确早已消失；但自然界的锝元素还有一种来源，也就是通过其他不稳定原子核衰变所得，基本都躺在沥青之中，与铀（U，92）、镭（Ra，88）这些大块头的放射性元素做伴。正所谓，「众里寻他千百度，蓦然回首，类锰却在射线阑珊处。」

图 5  刻在前苏联硬币上门捷列夫头像

不过话说回来，类锰究竟能否被发现，这对门捷列夫而言，那都不是事儿，另外一个问题才真是让他操碎了心。

1906 年，也就是门捷列夫辞世前一年，一生都献给元素周期律的他此时的又一次开始制表，但内心却是歇斯底里的。

事情还要从周期表中最后一列家族说起。19 世纪末期，拉姆塞发现了稀有气体，元素周期表迎来一次大扩军。这当然是科学界之盛事，拉姆塞本人也获得了 1904 年的诺贝尔化学奖。

然而，当门捷列夫试图将这些新元素按周期律排入表内时，却遇到了大麻烦——氩元素的原子量居然比钾元素更大！在当时的科技条件下，原子量几乎是元素的特征指标，原子序数也是按照原子量从小到大的顺序排列，如此一来，氩应当排在钾之后。但是根据周期律，钾和钠属于同一族，而氩和氖是一家，那么钾就应当排在氩之后。门捷列夫看着这样的矛盾无可奈何，或许是出于自信，又或许是因为固执，他认为这一定是氩的原子量测定错了，不是 40 而是 38，这样的话，排在氯（原子量为 35.5）和钾（原子量为 39）之间就和谐了，而他这样「修正」数据，已经是第三次了——此前，他还改动了镍和碲的数据，同样是为了符合原子量的升序。

不得不依靠修改数据来满足元素周期律，可以想象门捷列夫对此一定是心有不甘。

其实就在同一时期，揭示元素周期律真理的漫长进程已经看到了曙光，门捷列夫这位「古典作曲家」只需要多想一步就会明白：错误的并不是旋律，而是乐理本身。当时已有证据表明，原子并非如字面意义上那样不可再分，原子内部结构对元素的影响必须要考虑。打个比方说，原子就好比是一座座楼宇，科学家最初是坐在云端的飞机上看它们，由于距离太远，看到的都是一个整体，只能判断出高矮；后来科学家们落地之后在街道上看到它们，终于可以数清楼层了，那么如果要评估每栋楼的价值，是否更应该考虑楼层数量？

所以归根到底，原子量并非是左右元素周期律的决定性因素，两者只是高度相关而已。晚年的门捷列夫依旧勤奋，遗憾的是未能预判到这一点。然而正是思维上的这一点差别，掘出了古典派与现代派原子论之间难以逾越的鸿沟……

古典之星闪耀

第一乐章

前文说道，门捷列夫是原子理论步入现代科学之前的集大成者，虽未能等到原子奥秘被破译的那一天，却也是踩在了许多「巨人」肩膀之上，站在了「古典派」的最高峰。因此，要想完整地欣赏元素之歌的古典旋律，我们还得再听听其他作曲家不太成熟的作品。

如果你也和本文作者一样，正在挥泪告别青春，那么在你逝去的童年中，大概不止一次听到过八音盒版本的《致爱丽丝》。最传统的八音盒有 18 个音，因此复制不出钢琴 88 个琴键的美感也就不足为奇。音阶越丰富，旋律越饱满，而我们要说的元素之歌也经历了音符慢慢增加的过程。

如今，元素之歌的音符已经达到了 114 个，但最初这个数字是多少呢？只有可怜的 4 个，它们分别是水、土、气、火。两千多年前，亚里士多德试图用它们创作出一曲宇宙万物奏鸣曲，不过仔细听来，这 4 个音符却没一个在调儿上——是的，所谓的四大元素，其实都不是真正不可分割的元素，水、土、气其实是化合物或混合物，含有多种元素，更像是和弦而非单一音符，至于火，不过是物质的激发状态罢了。所以，在亚里士多德那个年代，「四和弦」的元素之歌还远远称不上是一首连贯的音乐。

然而此后两千多年里，「四和弦」却一直是物质世界的主旋律，这期间，人类发现新元素的脚步确实慢了些，但也并非一无所获，根本问题在于，没有人能够说清楚「元素」到底是什么。试想，如果音乐界都没弄清楚音符是什么，古典乐的黄金年代又将如何开启？

直到道尔顿——那个真正推动古典派元素之歌的人出现。

1803 年，道尔顿提出了自己的「原子观」，用理性定义了「元素」这个词。首先他认为，原子是构成世界万物的本源，是不可分割的最小单位，并且在化学反应过程中性质不会发生变化——这一点只能算是古希腊先贤德谟克利特原子论的升级版；其次他提出，大小和性质完全一样的原子可以被归为一种「元素」，并且每一种元素都具有自己特定的原子量。这第二条概念，其实就是道尔顿对元素的定义，科学家们可以套用这条依据来确定一种物质究竟能不能被称为元素。在前一篇中，我们提到晚年的门捷列夫仍然对原子量的问题有着近乎执拗的洁癖，也正是因为道尔顿的这一论断。为了纪念道尔顿对原子理论的巨大贡献，原子量的单位（Da）便以他的名字命名。

有了这样的依据，似乎发现并确认元素的工作容易了很多——至少道尔顿自己是这么认为的，所以他摒弃了四元素说，兴致勃勃地编纂了一部包含 20 个元素的「正音谱」——然而其中有 6 个，后来都被科学证明并不符合他本人对元素的定义（你当然可以用「打脸」这个词）。更让人大跌眼镜的是，他罗列出各元素的原子量，可是除了将氢元素定义为 1 外，其他 19 个「元素」原子量居然没有一个是正确的，比如碳氮氧磷硫这些生命元素依次是 5、5、7、9、13（正确的数值依次为 12、14、16、31、32）……

图 6  道尔顿和他的原子示意图

不过话说回来，道尔顿的理论确实已经非常超前。如果说门捷列夫提出周期律的时期，科学家们看原子就像从飞机上看楼房，那么道尔顿时期，那就好比是在同步卫星轨道上用肉眼寻找地球上的楼房。——都不知道这些房子是否存在呢，还怎么妄言房价是否过高？

那么这位将「原子量」上升到评判标准的科学家，为何又会在原子量的问题上错得如此离谱呢？除了当时的技术局限以外，道尔顿其实是个「化学哲学家」——他的代表作就是《化学哲学新体系》——擅长理性思维的他，实验水平并不算高，还在观点中借用了不少二手实验数据。

化学历来就是一门重视实验的科学，但道尔顿的事迹却说明，思想有时候比实验更重要。于是，他成功地搭好了戏台，为元素周期律的发现打下了最坚实的基础。

或许你不认同这一点。当然，如果不是政治风波，这顶桂冠恐怕真得被另一位大科学家拿下了。

第二乐章

这位大科学家就是拉瓦锡——只要接触过化学，你就一定不会对这个名字陌生。就算你没听说过他，在阅读某些版本的《红与黑》或《双城记》时，也会在封面上一睹他的尊容。——看似在做实验的他却分心望着他美丽的妻子玛丽亚。

图 7  据说正在做实验的拉瓦锡和他的夫人

拉瓦锡是位高明的实验科学家，在思想方面也毫不逊色，一生之中最伟大的成就是推翻了「燃素理论」。但他的功绩不止于此，1789 年，他推翻四元素理论，并重新定义了「元素」，认为元素是指用化学方法不能再分解的物质。如果对比现代化学理论，可以看出，拉瓦锡当时所谓的元素指的其实是单质，而道尔顿则在此概念上又进行了归纳。早在 1772 年，拉瓦锡做出了一件颇有土豪气质的实验——火烧钻石。实验结果让他大为惊讶，金刚石居然跟木炭一样，燃烧后产生了二氧化碳，但就是因为他在概念上欠一分火候，并未能乘胜提出「同素异形体」（即同一元素的不同单质形式）的概念。也是因为没有建立原子层面上的元素概念，这位 18 世纪最擅长定量实验的化学家却没能用定量的方式去区分不同元素——因此在拉瓦锡罗列的元素表中，还有光和热这样的元素。

1794 年，法国大革命爆发，拉瓦锡因为包税官的身份被送上了断头台。如果不是遭此劫难，也许他这颗百年难得一见的脑袋（数学家拉格朗日评语）里，还能激发出更深刻的思想，但这一切都只能是假设了。

事实上，与拉瓦锡同时代的很多科学家都已发现，化学反应中存在着定比关系，并采用「当量」的概念。比如碳和氧气反应生成二氧化碳，大家都知道是三份重量的碳消耗八份重量的氧气，那么如果碳的当量为 3，参与反应的氧气当量就是 8，比例是确定的，至于为什么会这样，却没人能够想通。

待道尔顿提出原子概念后，大家的思维便一下子打开了，也不计较道尔顿本人收集的粗糙数据，因为，这个理论实在是太好用了！

没过几年，一位意大利科学家横空出世，在原子的基础上又提出了分子的概念。他的名字因此永载史册，成了著名的——阿伏伽德罗常数。实际上，有了分子概念之后，阿伏伽德罗更是进一步揭示出了化学反应的本质：所谓化学反应，就是不同分子的原子重新排列组合的过程，原子是反应过程中不变的最小单位，这也从根本上奠定了化学这门学科的研究领域。

图 8  阿佛加德罗

但直到近半个世纪后，阿伏伽德罗关于分子的一些理论才真正被科学界所接受，而阻碍这一进程的，是由瑞典化学家贝采尼乌斯所提出的电化二元论。

所谓电化二元论，其实有些类似酸碱理论，只不过更广义，涵盖了所有化学反应——贝采尼乌斯认为，原子之间能够结合，都是因为正负电性的相互作用。所以很容易你就明白，贝采尼乌斯根本就不相信氢气会是两个氢原子相互结合，相同两个原子怎么会有正负电性的区别呢？当然，即便用现代化学的眼光看，贝采尼乌斯的思路也并没有偏离理性，原子形成分子，靠的确实是电荷相互作用，只不过这种结合力需要用量子力学理论去计算，而非简单的正负电荷相吸。

不过，他对于原子理论的真正贡献，可远远不止这不成熟的电化二元论。

图 9  贝采尼乌斯

贝采尼乌斯是继拉瓦锡之后又一位定量测定的高手，所以当他接受原子理论之后，如何测定出准确原子量的问题，几乎就成了他毕生追逐的课题：他一生共测量了超过两千种不同物质的分子量，并由此推算出不同元素的原子量——尽管在这个过程中，他自己其实并没有建立分子与原子概念。

他测定的主要依据其实是定比法则，与道尔顿不同的是，他选取的标线不是氢而是氧，并将氧的原子量定在了 100，而接下来的工作就相对简单了。比如，当测定出二氧化碳中碳氧比为 3:8 之后，那么碳的原子量可能为 37.5（对应分子式为 CO），也可能为 75（对应分子式为 CO2），还可能是 18.75（对应分子式为 C2O），或是其他倍数或约数。可见，此时的原子数之比还是一个变量，但只要数据足够多，就好比是解多元方程组，方程式足够了，这些未知数自然就会有确定的解。

他还非常善于在工作中借鉴他人的理论与实验方法。比如法国科学家盖·吕萨克提出了气体之间的反应存在着体积整数比关系，贝采尼乌斯很快将其应用到了原子量的测定工作中。同样被借鉴的还有法国科学家杜隆和珀替提出的原子热容定律，即原子量与热容大致成正比，这条重要的定律正好可以完美地解决原子定比的问题。

经过 20 余年的努力，贝采尼乌斯确定了 49 种元素的原子量，还顺手发现了几种新元素，并开创性地制定了拉丁字母的元素符号。令人称奇的是，他所测定的原子量整数部分，与如今的数据几乎完全相同。

在此之后，一些科学家对原子量继续进行了修正，尤其阿伏伽德罗的分子假说在沉寂半个世纪后，康尼查罗又重提此事，并依此梳理了很多测量数据间的矛盾，区分出原子量与分子量，从而也使分子原子理论得到了科学界的一致认可。至此，发现元素周期律的障碍已基本扫清——当音符的音阶都已确定之时，美妙的乐曲还会遥远吗？

第三乐章

哪怕只有单调的几个音符，优秀的音乐家也能够据此演绎出和谐的旋律；而优秀的化学家也同样善于从为数不多的元素中发现规律。

第一个觉察发现到规律的是德国化学家德贝莱纳。在道尔顿提出原子论之后，很多科学家都投身于测定原子量的工作，包括前面介绍的贝采尼乌斯，还有这位德贝莱纳。

在讲述德贝莱纳的事迹之前，我们还得先说说另一位大科学家汉弗莱·戴维。也许你对这个名字仍然感到陌生，但他有一位学生的名字绝对称得上如雷贯耳——迈克尔·法拉第。无论在物理还是化学领域，法拉第都可以说是同时代的佼佼者，而发现这位天才的伯乐便是戴维，后者还曾坦言：法拉第是他这辈子最大的发现。不过，随着法拉第的名望逐渐超过他的老师，两人的关系也变得非常微妙。

戴维是电化学的缔造者，并借助电解实验发现了一个又一个新元素，其中很多工作都是由法拉第协助完成，这些经历也成为法拉第日后确立电磁学说的关键基础。

对于现代人而言，电解实验并不复杂，最普通的干电池接上导线就可以将水电解成氢气和氧气。但在 19 世纪初，电池可是个新鲜事物——意大利科学家伏打借助于两种不同的金属，发明出了经典的伏打电池。说起来，他的创意还是来自于一项有趣的错误实验：此前不久，他的同胞伽尔伐尼在研究动物体内发电问题时，无意间发现被解剖的青蛙会在铜片与铁片之间出现抽搐；伏打认为这可能是不同金属性质所造成的放电现象，于是将银金属片与锌金属片交错叠加，果然发现了放电现象，伏打电池便是这样的原理。

图 10  戴维（左）法拉第（右）

借助这样的电池，戴维很快就凭一己之力发现了钠、钾、钙这些极为活泼的金属，而它们都不可能通过传统的化学方法寻获。随着这些金属单质被发现，元素的版图出现了重大变革，正是在这样的背景下，德贝莱纳隐约感觉到了元素周期律的一丝线索。

1819 年，就在德贝莱纳把玩钙、锶、钡这三个元素的氧化物时，他突然发现，这三种氧化物的分子量（德贝莱纳也未能理解阿伏伽德罗的分子假说，因此原作中也称之为原子量）居然排成了等差数列。他立刻联想到，如果三者都剔除氧原子的质量，那么原子量仍旧会是等差数列，并且这三种元素还都具有高度相似的化学性质！

这个意外的发现让他眼前一亮，不禁思考一个问题，会不会所有元素都可以排列成这样的三元素组？在这样的思想驱动下，像玩拼图游戏一样，他力图将当时发现的 50 余种元素都拼凑成这样的三元素组。然而直到十年后，他也只找出其中五组：锂钠钾、钙锶钡、磷砷锑、硫硒碲、氯溴碘，大部分元素仍旧被排除在这一规律之外。

即便如此，他的工作至少告诉世人，某些元素之间存在相似性，而且这并非只是巧合。

与法拉第一样，19 世纪的很多科学家都拥有良好的化学基础，无论他们的实际研究领域是什么。别说科学家了，在侦探作家柯南·道尔看来，一位成功的侦探最重要的素质就是具备精深的化学知识，哪怕他对文学或政治一窍不通。所以你会发现，在探索元素周期律的科学家身影里，可不是只有化学家们独自在战斗。

就在德贝莱纳提出三元素组后不久，德国的环境卫生学家佩滕科弗就利用自己的化学知识发现，其实三元素组还可以继续扩展，比如镁元素就和钙锶钡是一伙儿的。尽管在变成四元素之后，等差数列的规则不复存在，但佩滕科弗却更细致地提出，这些相似原子量之间的差值中都隐藏着一个神奇数字——比如钠比锂的原子量大 16，锶比钙则要大出 24（此处实际为 48，因当时缺乏分子概念，错将氢分子定标为 1，碱土金属的原子量全部因此缩小一半，而碱金属的测量方法不同，却没有这一问题），差值都是 8 的倍数，其他元素组的差值也与此近似。

紧接着，英国化学家格拉斯顿又发现，还有更神奇的三元素组咧，它们的原子量之间没有等差数列关系，而是近似相等——比如钌铑钯、锇铱铂，后三种原子量近似为前三种的两倍；除此以外甚至还有五元素组：铬锰铁钴镍，原子量也差不太多。重要的是，这几组内各元素之间的化学性质很接近。

格拉斯顿发现的元素组与之前的三元素组有着本质区别，对照现代元素周期表就可以发现，无论德贝莱纳还是佩滕科弗，他们列举的元素组都在同一竖排，即同族；而格拉斯顿列举的，却是在同一横排，也就是同周期。元素化学性质的变化趋势存在两个维度，这对门捷列夫以及后来的量子科学家们都有着深刻启发。

到了 19 世纪 60 年代时，很多化学家都已确信，元素之间一定存在着某种联系，并且可以用图表展现出来。所以，就在短短的几年里，很多人都编制了元素周期表，比如尚古多的螺旋周期表、欧德林的表格式周期表等等。

几乎就在同一时间，英国化学家纽兰兹发现，当元素按照原子量进行排列时，序号相差 7 的元素（实际元素序号相差 8，由于当时没有发现稀有气体，所以少了一列）都具有相似的性质，而这一特点正好与音律的高八度相仿，于是便将这一规律命名为八音律（也叫八隅律）。

可惜，对于不守规矩的硼族元素，纽兰兹只是硬着头皮把它们塞了进去而已，至于内在关联，他却未曾细究，因此其作品依旧显得很刺耳——至于后来的故事，那就不妨再倒回去聆听门捷列夫的作品吧，欣赏一下他是如何采用「类硼」和「类铝」巧妙解决问题的。

挣开历史枷锁

第一乐章

前文提到，关于元素的事，早在亚里士多德时代就已经是哲学家们冥想的议题了。当然，和亚里士多德提出的其他观点一样，四元素论也不是他的原创，一位叫做恩培多克勒的古希腊思想家在他之前就已提过这个观点，而真正的发明者也许还另有其人。不过，亚里士多德的确是将这一观点升华为哲学概念的第一人——也多亏他做了些工作，我们可以少记一个长长的希腊名字（作者不查资料也一样记不得）。

图 11  朴素唯物主义代表人物亚里士多德

亚里士多德将元素定义为物质不可再分的组成部分，更接近于现代对原子的定义，后来拉瓦锡的定义与此相去也并不远。然而，类似的标准却产生了截然不同的结果，亚里士多德据此只确认了四种「元素」，拉瓦锡却因此点亮了化学之光。

其实，亚里士多德又何尝没有发现，这所谓的四大元素与他的体系并不吻合——如果它们是不可分的元素，那么为何有不同味道的气体，又为何有不同特性的矿土？为了修复逻辑上的缺失，他又增加了概念，认为四种元素是两对物理属性的承载体。具体而言，纯粹的水是重而湿的，土是重而干的，气是轻而湿的，火则是轻而干的。不同物质之间之所以有差别，是其中所含的四种元素比例不同。这样的解释更像是一个数学游戏，所谓四大元素就是四个顶点，干湿轻重构成两组边，围住的四边形就代表了所有物质。

图 12  四元素关系示意图

但这个说法仍不够严谨，因为世人都知道水火不容。因此他又增加了一条规则，即性质相对的两种元素不能组合在一起；换句话说，就是不存在只含有水火或是只含有气土的物质。

到了这里，最大的问题就出现了：要是将四大元素调整好比例组合到一起，不就可以随便创造物质了吗，点石成金不也就指日可待了吗？对此他的回应是还不行，因为还有一种「以太」是我们看不见的，而这是物质的本源，或者说是结合力。总之可以看得出来，亚里士多德在用四大元素解释自然的时候，基本是按下葫芦起了瓢，为了填一个坑就不得不再去挖个更大的坑。不过他或许也没想到，他所提出的以太，居然在后来的两千年里不断被提起，每当物理学家看到一种新现象却又无法解释时，都会用「以太」这个词代表隐藏力量。

然而稍微熟悉西方历史的人都知道，漏洞百出的水土气火「四元素」理论，几乎构成了西方社会中世纪时期最基本的物质观，即便现代科技已经日新月异，这一理论依旧影响深远。

这丝毫不是在说笑——如果你在周末的下午造访一家装修时尚的咖啡馆，恰巧听闻到邻桌一对青年男女的对话，其中很可能会是下面这样：

「你是什么星座的啊？」

「我是白羊，你呢？」

「我是巨蟹。你是火象星座，我是水象星座，好像不太配哎……」

我们先暂停一下，因为这里出现了新名词——火象星座和水象星座——到底是什么意思呢？

众所周知，所谓十二星座其实就是指黄道十二宫，而黄道其实就是从地球的角度观察，太阳在星空背景上所投影的轨迹。现代天文学将整个星空划分成了 88 个星座，而白羊座、金牛座等等这些，就是黄道所穿过的十二个星座，太阳在每一个星座「停留」的时间差不多是一个月，比如白羊座是从 3 月下旬到 4 月中上旬，在这段时间里，从地球的视角看，太阳就位于白羊座的区域。不过，按现在实际的恒星背景，黄道其实穿过了十三个星座，多出了一个蛇夫座。不只如此，太阳穿越这些星座的时间也出现了偏差，比如白羊座真正对应的时间已经是四月下旬到五月中上旬了。对于这些矛盾，现代天文学早已能够给出准确解释，不过传统的占星术对此却无能为力，为了对应十二个月，只能继续沿用十二星座的概念。

为何在占星学家眼里，蛇夫座就成了犹大那样不被接受的第十三人呢？其中一个缘由就在于，为了分析星座属性，黄道十二宫被分成了四组，而划分的标准，正是亚里士多德的四元素论。占星术认为，从白羊座开始，每个星座都有一种属性，按火、土、风（气）、水的顺序排列，属性相同的星座，会存在着某些相似性，例如同属火象星座的白羊座和狮子座，都是火爆脾气，这也就更符合「火」的字面意义，「理论」上讲，相似性更高的两个人更契合，于是就出现了上面那样的对话。

所以，如果没了四元素说，十二星座的理论体系也会变得七零八落，现代社交活动也将会少一份乐趣！今日尚且如此，可想在过去的两千年里，这个说法的统治性地位该是多么牢不可破，尤其当它还能作为炼金术理论基础的时候。

第二乐章

对此你当然也可以抬杠——什么「四元素说」，完全没听说过嘛！ 

的确，对于中国人来说，四元素终究还是陌生了些，因为传统汉文化中用的是另一套体系——五行。

「五行」这个词本身并无任何感情色彩，说的就只是太阳系的五大行星：金星、木星、水星、火星、土星（与太阳距离由近及远依次为水星、金星、地球、火星、木星、土星）。在望远镜还没有被发明出来的时代，人们能够通过肉眼观察的太阳系行星主要也就是这五颗；偶尔能够看到天王星，但也因为公转角速度太慢而将其忽略。看到这里你一定感觉似曾相识——怎么又说起星星了？刚才是恒星，现在又轮到行星！

其实和西方人一样，星空也是中国古代哲学家们重点思考的对象，他们都将星空视作是对人类社会活动的某种启发。不过中西方的思维略有差异：古希腊人擅长航海，星空就等同于灯塔，于是恒星之间的相对位置成了夜里判断方向的重要依据；而古代中国人勤于耕作，祈祷风调雨顺，曾把运行轨迹「不规则」的行星、流星和彗星看作不祥预兆——当然，同样重要的还有日月食。从这个角度来说，古希腊人的唯物主义精神更强一些，但东西方两种思维产生的社会效应却颇为相似。

在中国传统文化中，金木水火土这五行其实就代表着五种基本元素，但又不只限于元素的概念，而是延伸到了生活中的方方面面。于是我们发现，但凡能够跟「五」这个数字拉上关系的事物，几乎都离不开五行的概念——比方说方位有五个，于是东西南北中分别对应木金火水土；比方说脏器有五个（然而这个数字并不符合事实），于是心肝脾肺肾就分别对应着火木土金水；比方说颜色有五个（这个数字当然也很牵强），于是青黄赤白黑就分别对应着木土火金水；再比方说音律有五个（你当然也能找出其他律制），于是宫商角徵羽就分别对应着土金木火水……只要想找，在中国传统文化中还可以找出很多这样的例子。在古代中国人看来，任何一个系统其实都是这五种基本元素相互作用的结果，如果它们之间失衡了，整个系统就会不和谐——所以，一点都不意外的是，五行概念还进一步影响了社会架构，甚至连朝代更替都是五行运转的结果。在这种环境下，个体当然也不能幸免，否则我们也不会看到「闰土」这样的文学角色。

相比于亚里士多德对四元素的演绎，五行的体系可要复杂得多，不仅各自拥有不同属性，彼此之间还存在相生相克的关联。比方说水，由金而生，可以生木，为土所克，可以克火，就这样跟其他四行建立起了联系。从形式与哲理上讲，五行理论的结构自洽而完美，但对于客观世界而言，这样的简单划分究竟能解决多少问题，就需要打个问号了，尤其当「金木水火土」成了与物质无关的术语之后，这一理论已经成了科学发展的桎梏。

图 14  五行相生相克图

或许你觉得这有些夸大其词，但仅举一例便能说明问题。前文说到肝是木，肾是水，基于「水生木」这样的关联，肾便是肝的「母亲」了，所以肝不好，源头是在肾——于是我们便听说了一种神奇的疗法，即得了肝病，应当治肾……

先不说这样的治疗方式是否合理，我们思考一个问题：同样都是细胞构成的器官，究竟如何能得出肝为木肾为水的结论呢？显然没有人可以用物质的语言对此进行描述。肝病肾治的理论基础虽说是水木的关系，却是无源之水无根之木，临床上缺乏足够的案例证实。 

不过，古代中国人的世界观也并非只是五行体系，在它刚刚萌发也就是战国时代，就曾有位哲学家提出了中国版的「原子论」，他便是墨家学说的创立者墨子。

图 15  至少和诸葛丞相、王羲之不太像的墨子画像

墨子认为，在我们生活的世界上，存在着最小且不可分割的单位——「端」，而这一思想与同时期希腊哲学家德谟克利特的「原子论」不谋而合。但是如同墨子的其他学说一样，这一理论在当时并未被世人所接受，人们更乐于接受庄子「日取其半万世不竭」的说法。从更广义的时空尺度看，庄子的理论也许是真理，但墨子的思想却更接近于编制元素周期表的门捷列夫——后者对于原子可分的说法一直持怀疑态度。

其实直到 17 世纪，中国人发现并能识别的化学元素并不比西方人少，并且得益于发达的炼丹术，掌握了很多化学反应，甚至还有炼丹术士提出了原始的质量守恒定律。也正因此，当意大利传教士高一志在 1626 年带着欧洲的「四元素说」来到中国时，被翻译成「四行」的水土气火并没有引起当时大明帝国学术界的注意——其实不用多想，五行成了四行，数字上的差别就足以说明，这是一种倒退！这怎么被当时的中国人接受？

然而就是在这个时候，历史却拐了个弯，西方科学体系中从此多了一门化学，而中国则依旧笼罩在五行思想之中。

第三乐章

现代元素论突破「四元素说」枷锁的历程也并非一帆风顺，而是一场持续了近两百年的科学「独立战争」。

前面已经说过，这场战争的全面开战是由于拉瓦锡的挑战，但他却不能被称作是发起人，因为在此之前一百年，英国科学家波义耳就已经对「四元素说」宣战了。

1661 年，波义耳发表了「独立宣言」——当然这只是个比喻，真正的书名其实是《怀疑的化学家》，也正是这位「怀疑的化学家」，第一次公开质疑了亚里士多德的物质观，当然其中也包括「四元素说」。但他的公开宣战其实也是打了个擦边球，并没有在书中直接表达观点，而是在书中塑造了几个角色相互辩论，其中一位是代表理性的「怀疑派化学家」，也就是他的化身。那么既然他都表达自己的观点了，为何还要多此一举，借书中角色之口来吐槽呢？其实你只需要知道，支持「日心说」的布鲁诺是在 1600 年被烧死的，就能明白个中缘由了。

严格来说，波义耳并不是一位全职的化学家，他做的实验五花八门，其中最著名的「波义耳定律」也并非化学反应。然而，或许正是因为他的这本著作，化学界便将其称为是近代化学的奠基人，他当然也就是史上第一位化学家了。

图 16  第一位化学家波义耳

波义耳的身份很尴尬，作为英国皇家学会会长，自己的「金主」笃信四元素说，总不能吃着人家的饭还拆着人家的墙吧？不过采用「曲线救国」的方式，也并不能说明他是软骨头，因为此时他还没有掌握最重要的证据作为开战的武器——如果四元素说不正确，那么哪些物质是元素，又有多少种？对此他无力回答。在当时真正的化学元素也就能识别出 15 种，因此，对「四元素说」全面宣战的任务也不可能是波义耳那个时代能实现的。

到了一百年后，情况可就大不相同了。此时的化学学科虽然还不能击败炼金术而「独立」，却吸引了众多生力军前来助阵，拉瓦锡可谓是他们的「元帅」。

但战争到这了个时期，也还只是拉锯战——此时的拉瓦锡并不确信，不同元素之间存在着某种共性。对于某些「土」（也就是从「四元素说」中脱胎而来的土），他准确地指出，它们只是氧化物而非元素，将来可以用化学方法分解，并识别其中的元素；但对于光和热（红外线）这样的电磁波，他也找不到合理的解释，只能当一般物质处理。

而门捷列夫是奠定胜局的关键力量。其实，「四元素说」之所以能够有这么大的影响力，是因为这种学说建立起了一种观念，即物质世界统一而和谐。无论是宗教徒还是无神论者，都更乐意接受这样的概念：宗教徒笃定上帝创造的世界是完美的，而无神论者则认为世界是有规律可以被认知的——水火气土虽然单调，但至少能构成一曲和谐的旋律，尽管在元素周期律被发现之前，由碳氢氧氮们构成的世界听起来简直就是一团噪音。当门捷列夫的理论被证实后，噪音变成美妙的乐章，战胜「四元素说」也就不足为奇了。

当元素周期律在欧洲战场上获得完胜之后，便开始了对东方传统文化的征战。五行理论与元素周期律的交锋，结局不难预测，但过程却颇有戏剧性。

最先接受西方近代科学的是日本。当远道而来的坚船利炮洞穿日本国门之时，他们迅速意识到，欧洲人的科技水平远远领先。在学习先进科技文化这件事上，日本民族总是不甘人后，果断采取了全盘西化的方式。元素周期表中的大多数元素对于 19 世纪的日本人而言都是极其陌生的，唯一有效的信息就是用西文书写的元素名称。所幸的是，日语中的假名系统可以快速吸收这些外来词，于是现在日文中的元素名称，只有少数是意译的形式并可以写成汉字，例如拉瓦锡误认为所有酸之中都含有氧，便将氧元素命名为 oxygen，意为酸中含有的元素，在日文中便写作了「酸素」；但大多数元素的日文都采用了音译的形式只能写成假名，例如钾元素，写作カリウム（读作 kariumu），其实就是 Kalium——也就是钾元素拉丁文名称的日文音译了。

就在这股西风吹过日本后不久，中国也开始了「西学东渐」的进程——只不过被迫的成分更多一些。

在 1855 年，中国人了解近代化学的窗口就已经被打开，墨海书馆在那一年出版了英国学者本杰明·合信所著的《博物新编》，而此时元素周期律尚在孕育之中；但直到 19 世纪末，化学学科仍未在中国形成体系，就连元素名称都没有统一。比如前面说的钾元素（英文名 potassium），就有诸如「卜对斯阿末」、「怕台西恩」、「不阿大写阿母」、「灰精」、「钾」等近十种称呼，其中有的是音译，有的则是意译。

前文中讲过 17 世纪初东西方元素理论的那次交锋，双方只是各自表了态就没了下文，五行论依旧是中国人的思想珍宝。两百年后，西方人抛弃了四元素说，兴高采烈地带着近代化学这个新武器想对五行论来个摧枯拉朽的时候，却惊奇地发现，五行论好像并没怎么抵抗；但传播了近半个世纪，科学竟还是没在中国掀起大的动静。

熟悉中国近代史的人都知道，出现这样的窘境，不是国人不努力，而是朝廷太荒唐。在这半个世纪中，大清国一直在西学东渐的问题上忸怩作态，多亏那些有识之士致力于吸收西方科学知识，这其中对化学和元素周期律影响最大的就是徐寿。

终其一生，徐寿都在忙着将西方科学文献整理成中文，颇有些神秘的化学让他着迷，竟无师自通地做起了化学实验。再后来，他又与英国人傅兰雅合作，翻译了《化学鉴原》《化学鉴原续编》及《化学鉴原补编》等大量文献，其中就提到了当时最新的发现——门捷列夫的元素周期律。

图 17  徐寿（左）傅兰雅（右）

当然，尽管徐寿生前没有看到化学在大清帝国被系统教授，但他的辛苦却没有白费，至少后世中国人学习元素周期表时要轻松了许多——对于陌生的元素，徐寿在翻译时主张用单字进行书写，因此救活了很多躺在古籍角落里的生僻字，还创造出了很多新字，当然基本都是金字旁。如今，我们读到的中文元素周期表中，就有数十个字是他的作品。或许若不是他，如今中文元素周期表的第 19 格就是「卜对斯阿末」了——说到这里，不禁有些心疼日本中学生了。

19 世纪末，随着高等教育体系逐步被建立，化学在中国也成了一门重要的基础学科，东西方从此统一了元素之歌的旋律——当然，这还只是古典版本。

走向现代

第一乐章

门捷列夫的元素周期律终于成了全世界人民都能聆听的古典派旋律，但他去世之前，那些不和谐音符始终困扰着他。

就在门捷列夫过世后不久，1911 年，英国科学家卢瑟福提出了原子的行星式模型，也从此将原子论带入了新时代。

当卢瑟福用正电荷的 α 粒子——也就是氦原子核——对金箔进行轰击时，大部分粒子都如同没有遇到任何阻碍似的直接穿了过去，只有少部分改变了方向，而折返的粒子就更少了。如何解释这种现象，卢瑟福提出了所谓的行星式模型——原子其实并非不可分割，而是具有微观结构，中央位置是正电荷的原子核，原子的大部分质量集中于此，而外围则是负电荷的电子，绕着原子核不停旋转，原子不是实心球，大部分空间其实什么都没有，所以 α 粒子大多可以轻易穿过，但如果距离原子核太近，那么电荷排斥左右会使其改变方向，而 α 粒子直接撞向原子核并折返只不过是极其偶然的事件。

图 18  卢瑟福和他的行星式原子结构模型

其实卢瑟福并不是第一个提出原子微观结构的人。在此之前，他的导师汤姆生——没错，正是前文提到的那位电子发现者——就已经明确表示，原子是可以分割的，其中至少含有电子和某种正电粒子，整个原子则因此而保持电中性。经过分析，汤姆生在 1904 年提出了一种原子模型，认为原子就像面包一样，而电子则是像葡萄干那样分布其中——大概是吃早餐时产生的灵感吧。

虽然是汤姆生的学生，但卢瑟福并未因此丧失理性判断，而是秉承了「吾爱吾师，但吾更爱真理」的原则——亚里士多德的科学观点也许已经过时，但他的这句名言却是满满正能量。自从原子的行星模型被揭示后，元素周期律的本质也就呼之欲出了。

图 19  汤姆生和他钟爱的葡萄干模型

晚年的门捷列夫并不相信原子可以再分，所以在他看来，对于原子这样的「实心小球」，最重要的特征指标就是质量，但他却无法据此解释为什么会出现原子量颠倒的问题。

然而 20 世纪初的年轻科学家们很快接受了汤姆生师徒二人的理论，并尝试从原子内在结构的角度去剖析周期律。与古典派的门捷列夫相比，这些科学界新锐所玩的就如同是现代电子乐，用一种全新却又间接的方式摆弄着这些化学元素。

1913 年，年仅 26 岁的英国物理学家莫斯莱测定了各种元素的特征 X 射线波长，他发现这些数据跟元素在周期表的序数间存在着某种联系。进一步分析后他得出一条重要结论：元素的序数就是该元素原子核所带的正电荷数！这便是著名的莫斯莱定律，现代元素周期律的大门自此开启。

然而年轻的莫斯莱并未能够将他的科研事业继续深化。1914 年，第一次世界大战爆发，莫斯莱投笔从戎为祖国参战，于次年不幸阵亡。他的牺牲令人扼腕，而他的发现则加速了科学的进程。此后不久，瑞典科学家西格班继承了他的未竟事业，用 X 射线测定的方法，确定了周期表上每个元素的位置，并因此荣获 1924 年的诺贝尔物理奖。

原子理论发展到这个阶段，基本就足以演奏出一曲完美的《元素之歌》了，但对于科学家们而言，这还不够——已经知道在原子核外绕着飞的是一些电子，难道你就不好奇占原子量 99.9% 以上的原子核里究竟有些什么东西？

卢瑟福肯定是非常好奇，因为他不断尝试用 α 粒子去轰击原子核，想看看被打碎的原子核里究竟是什么。功夫不负有心人，他在 1919 年发现，不同原子核「碎」了之后，都可以放出同一种正电荷粒子，与氢原子核相同。他将其称为质子，于是元素周期律又得到延伸，原子序数其实就是原子核内的质子数。

但是，质子的总质量加起来并不等于原子核的质量，甚至对于多数元素而言，都只有一半还不到。卢瑟福对此并不太介意，他预言，在原子核内一定还存在着某种中性粒子，并且其质量与质子大致相同。他的这个判断符合他的一贯风格，有理有据：多数原子的质量相对于氢原子而言都接近整数倍，既然质子就是氢原子核，那么剩下的那部分物质，可以分割出的最小单位也应该是质子的整数倍；并且当时已经发现，同一种元素可以有不同的原子，化学性质相同但原子量不同，最小差距是 1（例如氢原子与氘原子），这就更能说明问题了。

在卢瑟福晚年时，这个预言被他的高徒查德威克所证实。后者还是通过 α 粒子轰击的手段，确认这种粒子的存在，并将其命名为「中子」，以示其中性的特征，查德威克本人也因此获得了 1935 年的诺贝尔物理学奖。

说起这个中子，还牵涉到一桩著名的科学逸闻：查德威克虽然在 1932 年第一个发现了中子，他所做的实验却并非原创，而是对已有实验的验证。就在此前一年，约里奥·居里夫妇——也就是居里夫人的女儿和女婿——就已经做了同一个实验，并发现了一种诡异的中性「射线」，当然就是中子束了。此时，摆在居里夫妇二人面前的，不单纯是一束中子，更是一块诺贝尔奖牌，但二人却对此视而不见，把中子束错当成了电磁波。查德威克看到二人的实验结果后，立即联想到这可能就是恩师卢瑟福预言的粒子，并验证了这一点。这不得不承认，有个靠谱的预言是多么重要。

中子的发现，也将古老的「原子论」带入了新高度。自此以后，元素周期律便开始由电子、质子、中子这些亚原子粒子所演奏，厚重的古典乐又成了一场热情的现代摇滚演唱会。而汤姆生、卢瑟福、查德威克，这一脉相承的师徒三人，也就是上述三种粒子的发现者，付出四十余年的努力，终于完美解决了门捷列夫的困惑。

第二乐章

至此，元素周期律的发现史差不多也就讲完了，然而这段由元素构成的旋律究竟有什么用呢？

相信你一定还记得前面的故事，当门捷列夫第一次揭示出元素内在关系时，他就已经牛刀小试，利用周期律预测出了一些新元素，并在日后一一得到了验证。实际上，不仅是他预测的这些「类铝」、「类硼」，19 世纪 80 年代之后被发现的新元素，其发现过程都与周期律有点关系。

在讲下一个故事之前，我们先来思考一个问题：空气中究竟有哪些成分？

这个问题在拉瓦锡时代可算得上是世纪难题，比现在的「希格斯粒子」还要热门，几乎吸引了全世界最顶尖的科学家们为之奋斗——「燃素说」与「氧化说」在这一时期的交锋，彻底引爆了学术界对空气的热情。

燃素学说的建立与证伪，是近代化学史上浓重的一笔，这里当然不可能详细介绍这数百年间的来龙去脉。总而言之，随着科学发现越来越具体，「燃素」已不能自圆其说。与此同时，拉瓦锡则谨慎地提出了新理论，认为燃烧是一种氧化现象，将化学带入了正确的发展轨道。

对于燃素理论，无论支持还是反对，都需要以实验数据为准。拉瓦锡是一位实验天才，擅长精密定量测试——但如果将拉瓦锡建立氧化学说的原因全部归结成实验才能，那就有些牵强了，因为在燃素说的拥趸里，也有一位实验能力超群的科学家，他就是大名鼎鼎的卡文迪许。

卡文迪许最为世人所称道的莫过于那个以他名字命名的实验——卡文迪许实验。在这个实验当中，他利用扭矩和光学原理，证明万有引力存在，并巧妙地测定出了地球质量，实验过程设计可谓是巧夺天工。

图 20  称地球的卡文迪许

当他研究化学时，同样的天赋也是发挥得淋漓尽致。对于空气，有两个问题令他非常好奇：一是空气成分是否固定，二是各种成分的构成比例。通过实验，卡文迪许发现了氢气，并确定氢气在空气中燃烧可以产生水，猜测这个密度不到空气十分之一的气体就是「燃素」；他测定了二氧化碳的密度，尽管因信奉燃素学说称之为「固定空气」；他测定出在脱除水蒸气和二氧化碳的空气中，氧气占 20.83%，而剩下的「氮气」体积是 79.17%，这比拉瓦锡的测定结果更准确；他还发现，氮气和氧气在电火花的作用下会发生反应，而产物可以被碱吸收……

当然，在燃素学说中，氧气不是氧气，而是脱燃素空气，氮气也不是氮气，而是被燃素饱和的空气。如果将卡文迪许的研究成果原原本本地写出来，读起来就如同绕口令一般诘屈聱牙，所以我们不得不直接用现代名词替代了。

当他发现「氮气」与氧气在电火花作用下会发生反应时，他做了一个很有意思的实验，用以验证一个问题——将「氮气」与过量氧气进行反应，「氮气」是否会全部反应掉呢？结果他发现，无论怎么用电火花进行刺激，最终都会有少部分「氮气」不会参与反应，大约占原空气总体积中的 1/120。按他的实验精度来说，近 1% 的差别绝非是误差范围，但对于这一次残留的「氮气」，他居然蹊跷地选择了放弃研究。如果他再测一下这部分气体的密度，那将又是一项诺贝尔奖级别的发现——前提是诺贝尔早出生个 100 年。

其实卡文迪许毕生的贡献远不是诺贝尔奖这个级别，在英国，他被认为是仅次于牛顿的大科学家。他出身豪门，数额可观的遗产让他成了「有学问的人当中最富有的，富有的人当中最有学问的」。后来，他的家族中又出了一位剑桥大学校长，为了纪念他，还自掏腰包建立了卡文迪许实验室。大名鼎鼎的麦克斯韦担任了首任实验室主任，前文提到的汤姆生和卢瑟福则相继成为第三任与第四任，而在麦克斯韦与汤姆生之间，就是另一位卓越的物理学家瑞利爵士——没错，就是「瑞利散射」的那个瑞利，也是「瑞利-金斯公式」的那个瑞利——而卡文迪许那 1/120 的遗憾，就碰巧被这位爵士弥补了。

1892 年，瑞利在研究氮气密度时，发现从氨气制备的氮气密度比从空气中制备的「氮气」低了千分之一，但跟前辈不同的是，他没有忽略这一点差异，而是提出了自己的解释——也许氮气和氧气一样，也有一种同素异形体 N3 吧？

即便瑞利不是专修化学，他也自认为这样的解释不够合理，于是就广发英雄帖。这一招还真是立竿见影，很快便有一位勇士应征，这便是时任伦敦大学教授的拉姆塞，他在投名状里说道：元素周期表的最后一纵列也许还有留给气体元素的空位。

图 21  瑞利

拉姆塞

正是在这样的指导思想下，仅仅小半年的时间，拉姆塞就破解了谜团，提纯出这种未知气体，并将其命名为「氩」，元素周期表上从此多了一列「惰性气体」。

随之拉姆塞很快又联想到一个问题——他的一位朋友曾跟他提起，有些铀矿石会产生像氮气一样惰性的气体，他怀疑这也是「惰性气体」。很快，他找到了这种气体的踪迹，并扫了扫光谱——这一扫不要紧，他发现这种气体其实并不陌生，几十年前科学家在研究太阳光谱时就发现过它了，也就是氦，在周期表上填补氢和锂之间的空缺正合适。

图 22  氩气霓虹灯（摘自「视觉之旅——神奇的化学元素」）

拉姆塞丝毫不怀疑元素周期律的正确性，所以他也坚信，惰性气体家族中必定还有其他成员，至于它们的藏身之处……他怀疑原来的「氩气」还是不纯，里面应该还混有其他惰性气体。

果不其然，拉姆塞很快就通过液化分离的方式，鉴别出了氖、氪、氙三个元素。至此，惰性气体家族除了放射性的氡以外，全都现身，这个元素家族也成了史上被发现最快的一族。

有意思的是，拉姆塞是元素周期律的坚定支持者，也充分享受了周期律给他带来的收益，但他从氩气中分离出其他气体的事实，却成了后来门捷列夫质疑氩原子量的依据——因为他不能相信氩比钾的原子量更大。

惰性气体的发现史是对元素周期律的全新演绎，相比于门捷列夫的预言更为立体；更重要的是，随着这些气体的补位，量子化学的建立也终于有了可能。

这个过程可以说自然而然就发生了。就说氯元素吧，为什么成为氯离子后更稳定？已经清楚原子结构的科学家们就会想，氯离子是氯原子获得一个电子后形成的，因此它的电子总数和氩原子就相同了，那是否说明，外围电子具有特定的排布规律，而当核外电子数目与惰性气体相同时，就形成了稳定结构？如果你具有一些化学知识肯定就会明白，这正是现代化学的主要理论基础。

所以，如果元素之间没有规律，又或者元素周期律未曾被人类发现，化学这门学科与炼金术也就没有本质区别了。

第三乐章

既然元素周期律这么有用，也可以用于指导寻找未知元素，那么我们不禁要问了：如今所有元素都已经被发现了吗？

2012 年 5 月，国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）宣布了一件事，116 号元素正式加入元素周期表，成为表中第 114 名成员。这个新元素的英文名叫 Livermorium，以美国劳伦斯利弗莫尔（Livermore）实验室进行命名，它的简写也许很多人都很熟悉——Lv，但其实跟那个满大街的 LV 或者驴肉火烧毫无关系。2013 年，这种新元素的中文名也得到了确认，因此最新版的元素周期表中，你也可以在第 116 号的位置找到它：鉝。

为什么序号 116 的元素只是第 114 名成员？这是因为 113、115 号元素虽然已有实验室宣布发现，但尚未得到确认，同样情况的还有 117 和 118 号元素。按照 IUPAC 的命名方式，对于没有发现或没有正式命名的元素，一律用拉丁文的数字进行命名，比如 115 号元素，就是 ununpentium，其中 un 就是 1，而 pent 则是 5，ium 是元素的后缀。在目前的元素周期表中，前七周期的元素，除上述未被确认的四种，也就是 uut、uup、uus 和 uuo 以外，其他元素都已有了正式户口。根据量子力学计算，从第 119 号元素开始，就将开启全新的第八周期，不过截至目前，还没有任何有关第八周期元素的可信报道。

元素周期表的新成员越来越难加入，原因其实很简单，就是未被确认的这些新元素都有一颗硕大的原子核（当然这只是相对于一般元素而言，绝对值其实也很小），质子与中子的总数已接近 300 个。这些亚原子粒子之间的关系倒是和人类社会有些相仿——人与人之间相处会有爱恨情仇，粒子与粒子之间也兼有引力和斥力。当粒子的数目足够多时，斥力就会胜过引力，从而导致原子核分崩离析，裂变成轻一些的稳定原子核。这个过程很有规律，每过特定时间都会有一半原子发生裂变并释放出氦核等粒子或射线，也就是呈现放射性，而这个时间也被称为半衰期。有些元素的半衰期很长，比如铀元素的一些同位素都是以亿年为单位，但新成员鉝元素就只有区区几十毫秒。

可想而知，这些半衰期很短的元素，即便它们曾经来过，也很难被人类捕获，因此为了填补周期表的空白，科学家们只能采用主动出击的方式，人工合成。

第一个由人工合成的元素正是前文提到的锝元素，也就是门捷列夫所预言的「类锰」。在此之后，有 20 余种地球上完全不存在的元素都由人工合成，约占全部元素种类的四分之一！

人工合成元素，说起来轻描淡写，其实相当不易。化学反应虽不过是原子核外电子之间的共享与转移，但有些反应就需要动用高温、高压、强电流等手段，而原子核被电子牢牢地保护在内部，要让质子和中子发生融合，通常就需要动用回旋加速器这样的超级仪器了。

即使有了回旋加速器，制造新元素的过程也不是一帆风顺。这有点像在玩俄罗斯方块，加速器里的轻元素就是那些四个单位的积木，而底部堆砌的就是靶子，当你兴致勃勃地按加速键把积木送到底部时，既可能是积木与靶子发生线性加成，但也可能让已经填满的整行方块儿消失。

尽管制造过程困难重重，科学家们还是乐此不疲，至少有两点巨大的意义让他们坚持下去：第一，人造新元素的环境与宇宙中很多天体运动相仿，所以这样的研究可以算得上是在激发地球「小宇宙」，从而让人类能够超越时空；第二，很多人造新元素都有巨大的商业价值，例如锝元素就在医学与核工业方面得到了广泛使用。

如今，前七周期的元素已被开发殆尽，但人工合成新元素的脚步似乎不会就此打住，我们也将有机会见证更神奇的元素周期表。也许这表格上的大部分汉字你都感到陌生，但你应当知道，每天每时每刻每秒，我们都依赖着各种化学元素生存，因它们唱，因它们跳，因它们写下这些文字，也因它们读到这篇文章。不管你是否聆听过，至少在地球上，元素之歌已经被演奏了 46 亿年；而如今，它们的旋律还会被续写下去，但这一次，你可以选择聆听的方式……

尾声

古典派的元素之歌到此就该谢幕了，感谢你一直耐心地读到了这里。

或许你觉得通篇所说的「元素之歌」不过是个比喻而已，但有人并不这么想——或许这首歌真能用艺术的方式表达出来呢？

1959 年，哈佛大学的一位数学家汤姆·莱勒心生灵感，写下了一段词：

There’s antimony, arsenic, aluminum, selenium,

And hydrogen, oxygen, nitrogen, rhenium,

……

没有任何华丽的辞藻，这只是一段由化学元素名称堆砌起来的歌词，仅仅比元素周期表的顺序更押韵一些。

也许你会觉得这段词似曾相识——没错，《生活大爆炸》里，「谢耳朵」有一次喝醉时曾经演唱过一段儿，并在开场前提到了一个很有哲理的问题：宇宙由什么构成？另外，「哈利波特」的扮演者丹尼尔也在一次接受访谈时秀过这首歌，并盛赞创作者莱勒是 20 世纪最聪明的人——总之这是一段很经典的真人演绎版《元素之歌》（The Elements）。

莱勒教授还经常在一些学术沙龙现场演唱，有时也会唱一首更古老的版本：「There’s earth, air, fire and water！」这当然是在调侃「四元素说」，两相对比，也足以凸显这几百年来，我们物质观所发生的巨大转变。

严格来说，莱勒也算不得是《元素之歌》的原创者，歌词来自元素周期表，而曲子的原版则来自音乐剧《彭赞斯的海盗》中的《将军之歌》——现在请容许我出个测试题：请从本文中找出这部音乐剧的原作者（为了让聪明的你再读一回，作者只好无耻地埋了这么一条伏笔）。

其实，何止莱勒算不上原创，揭示元素周期律的门捷列夫又何尝算得原创？这条定律，并不会因人类没有发现就不存在，更何况，几乎在同一时间，还有一位科学家创作的「旋律」，与门捷列夫的作品不相上下。

迈耶尔，这位德国科学家在 19 世纪下半叶被很多人认为是元素周期律的首位发现者。然而，随着周期律发现权的归属尘埃落定，如今也就无人纠结此事。科学界有很多这样的发现——由空间相隔很远的不同团队同时发现，如果要问原因，那就是火候已到。

无论迈耶尔还是门捷列夫，他们做的工作都是在前人尚不够成功的探索之路上，又将思想稍稍扭转了一下。然而，迈耶尔的性格更为谨慎，尽管掌握的很多数据更准确，但他却「没有勇气像门捷列夫那样深信不疑地做出预言」（迈耶尔在 1880 年的论文中这样自评），坦率地将首功让与对方。同样，门捷列夫也不吝溢美之词，认为迈耶尔在探索元素周期律方面的功勋卓著——二人真可谓是惺惺相惜，一时瑜亮。正因此，为表彰发现元素周期律的功绩，英国皇家学会在 1882 年为二人同时颁发了戴维奖章。

不过，历史有时就是这么奇怪，一提起元素周期表，后人都会想到门捷列夫，迈耶尔却鲜被提起——但是在这元素之歌的旋律里，他和门捷列夫一样，永远都不会缺席，世界因科学而发展，科学因他们而动人。

致谢

首先，感谢文中出现的所有演职员，你们的精彩演出，让元素周期律成为了不朽的经典。

尤其感谢：波义耳与拉瓦锡，你们让化学从炼金术独立成一门科学；道尔顿与阿伏伽德罗，你们用原子与分子定义了整个世界；门捷列夫与迈耶尔，你们编制的元素周期表到如今还在使用；汤姆生与卢瑟福，你们将原子的结构展现在世人面前；莫斯莱和西格班，你们将元素周期律从古典带到了现代。当然还要感谢亚里士多德和德谟克利特，尽管你们的科学观点本身早已过时，但你们在两千年前传播的理性之光，是一切科学之源。

其次，感谢知乎，让我有机会将这些散落在历史角落里的故事拾起，并能够用自己的语言表达自己的观点。

再次，感谢我的同学、同事以及各界朋友们，你们的支持是我多年来码字的动力，也希望本文不会让你们失望。

尤其重要的是，感谢我的家人一直以来对我的迁就与鼓励，特别是我的爱人陈凌霄博士，你对科学技术一贯的批判观点，以及存放在书架上的那些科技史资料，都是我灵感的源泉。

最后，特别鸣谢深夜还在营业的小吃店老板们，你们在黑暗中的忙碌，很大程度上转化成了本文写作时所需的能量。

参考资料

1. 《化学元素周期表》，李绍山、王斌、王衍荷著，2011，化学工业出版社，北京；

2. 《世界化学史》，郭保章著，1992，广西教育出版社，南宁；

3. 《化学元素的发现》，凌永乐著，2009，商务印书馆，北京；

4. 《中国化学史》，郭保章著，2006，江西教育出版社，南昌；

5. 《中国化学学科史》，冯长根等著，2010，中国科学技术出版社，北京；

6. 《近代化学译著中的化学元素词研究》，李丽著，2012，中央民族大学出版社，北京；

7. 《视觉之旅：神奇的化学元素》，西奥多·格雷（美）著，陈沛然译，2011，人民邮电出版社，北京；

8. 《哲人石——探寻金丹术的秘密》，彼得·马歇尔（英）著，赵万里、李三虎、蒙绍荣译，2007，上海科技教育出版社，上海；

9. 《无机元素化学（第二版）》，刘新锦、朱亚先、高飞著，2010，科技出版社，北京；

10. 《化学元素周期系》，车云霞、申泮文著，1999，南开大学出版社，天津。

作者说

我是孙亚飞，清华大学化学系在读博士，科学松鼠会会员，常自诩为分子美食家。小时候也曾迷恋绘画艺术，在水彩颜料中认识了铬黄、钛白、普鲁士蓝之类的名词，回想起来，这大概是我第一次接触化学语言。而当我知道这些颜料的化学成分时，早已明白，化学不止是创造了虚拟的艺术世界，更是创造了你我共存的这个真实世界，衣食住行无所不包。如今，我以化学为职业，也常常在知乎传播化学概念，但愿我们能够共同感受这门科学的魅力。

此次试水长文，说的是化学里最重要的规律——元素周期律的发现始末，希望朋友们喜欢。更多内容，欢迎来我的主页交流：http://www.zhihu.com/people/sun-ya-fei-48 