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。