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。
【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。
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
作者
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
目錄
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
序/導讀
序
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。