【Top50】科普作品《元素家族》

《元素家族》正文节选

《元素家族》自序——从化学元素看人类文明

仅仅看看我们身边，电脑、手机、书籍、纸张、洗发水、可乐瓶、家具、玩具，或者还有各种各样的包装袋、五颜六色的衣服以及女人身上琳琅满目的装饰品，只要你无聊到极致，我相信你能数出不下几百种不同的物体。

到了户外，你看到了几百种的植物、动物、昆虫，它们都是如此不同。当你走向森林、山峰、甚至大海，如果你很幸运，你会发现琥珀、化石、贝壳，甚至捡到宝石，这些自然世界的物体和之前我们看到的人工制造品完全不同。

然而当我们仰望星空，看到了月亮以及距离我们亿万光年之外的星球，我们会想到，在那些不同的世界里，又会有什么样神奇的物质，这些物质会和我们身边的东西相似吗？还是完全不同？

很早之前就有智者在思考这样的问题：世界上千奇百怪的物体是不是由一些最简单的基本组分组成的呢？就好比：26个字母可以写出文学巨著，一系列的音符就可以演奏出交响乐。古希腊人有人认为世界是水组成的，有人认为是火，干脆有人综合了一下，认为有四大元素：水火土气。我们中国人比希腊人高明一点，提出五行学说：金木水火土，也是为了说明万事万物是由一些基本的事物组成的。

他们的基本思想是正确的，现在我们知道，不管是宇宙深处，或者是山顶海底，还是我们身边的人造材料，都是由100多种化学元素组成的。我们已经知道，定情信物中的钻石和烧剩下来的木炭，原来是由同一种化学元素组成；盛在碗里的美食和你的排泄物，也都是由同样这些元素组成的，只是排列方式发生了变化；甚至连那种神圣的、可以激发人类爱情的多巴胺，其化学组成与我们的气体排泄物也差不了太多。

从四五种元素到现在的100多种，这是一段有趣的历史，其中也有很多波折和误解，要把一些元素从化合物中分离出来，其难度超过了当时人的想象。但是很遗憾，这其中，中国人的贡献约等于0。这恐怕不仅仅是“李约瑟的难题”可以解释的，或者干脆把责任往满鞑子身上一推了事。这其中应该有一些更深层次的问题，值得我们去思考，去学习。

到了今天，人类正处于文明的十字路口，一方面我们看到局部的战争和贫困在折磨着我们的同类，甚至人类自身的劣根性也让大部分人类受制于意识形态、大众传媒、金融资本这新时代“三座大山”的洗脑和统治；另一方面我们也看到了人类巨大的机会与潜力，在宇宙深空，到处可见各种各样的资源，我们为何要被束缚在小小的地球上？所幸，现代科学已经开始带领我们探索太空，尽管从宇宙的尺度来看，我们还仅仅走了一小步，但却是人类文明的明灯。多年以后，人类会感谢NASA，但是没人会记得当年白宫、华尔街里的弄潮儿。

从化学的角度来说，宇宙中的物质和地球上的物质一样，大多数都是由几十种元素组成的，这对我们来说是好事：宇宙并没有那么可怕和神秘。我们可以利用地球上的物质进入太空，也可以利用宇宙中的物质来补给自己。因此，从地球和宇宙中元素分布的角度去看人类文明未来的发展，这是一个很有趣的话题，我愿意从这方面去启发自己思考。

我准备从1号元素氢开始，一个一个元素写下去，我将尽可能写的贴近生活，让大家容易看懂，而又天马行空，让大家和我一起思考。我给自己定的目标是写到26号元素铁，但是如果只写到8号元素氧就写不下去了，也请大家理解我，并对我提出宝贵的质疑和建议，毕竟我的能力有限；当然，如果我能打上无尽鸡血写到79号元素金，那一定是因为我对于金钱的狂想；如果我能最终写到92号元素铀，那一定是由于大家给我的支持。

氢的发现史：老宅男or百万富翁

我们的故事将从古希腊的泰勒斯说起，他算是人类历史上第一个哲学家，也是一个很有意思的人。他喜爱研究天文，经常仰望星空，有一天竟然不慎落入井里，被仆人耻笑。他为了证明自己，继续仰望星空，预测到第二年橄榄会大丰收，于是租下米利都所有的榨油机，第二年哄抬物价，在那个没有物价局的年代，狠狠的猛赚了一笔。他这样做只是为了证明如果哲学家想做生意的话，是可以比别人赚得多的，不过他们有比赚钱更重要的事情要做。

第一个哲学家：泰勒斯

这算是我们伟大先知的轶闻了，实际上他作为第一个哲学家绝非浪得虚名，他在天文、几何、政治学、工程学都有造诣，被称为“科学之祖”！今天我们要谈到他在哲学方面的贡献，他是第一个提出“什么是万物本原”这个哲学问题的人。

他不仅提出问题，还给出自己的解答：“水”！他认为“水生万物，万物复归于水！”

亚里士多德在《形而上学》里这样记录到：“他（泰勒斯）得到这个想法，也许是由于观察到万物都以湿的东西为养料，热本身就是从湿气里产生，靠湿气维持的（由此产生万物的东西即是本原）。这是引起他的想法的一个事实。另一个事实是：万物的种子都有潮湿的本性，而水是潮湿本性的来源。”

泰勒斯认为地球是一个圆盘，漂浮在水上。

从我们现在的角度看来，泰勒斯的水元素理论过于粗糙，在他之后又有其他哲学家提出别的理论，比如赫拉克利特提出万物的本原是火，阿那克西美尼认为风才是万能的，而齐诺弗尼斯由于在山顶看到贝壳，认为土才是宇宙万物的基本要素。

最后，恩培多克勒看实在是太乱了，干脆一锤定音，提出“水、火、土、气”是四大元素。亚里士多德继续发展了这一观点，并指出这四种元素相互作用，就有了热、干、湿、冷四种感觉。

西方人试图用四元素来解释世界，这种观念一直沿袭到现在的很多电脑游戏的设计中

就这样，四大元素理论成为之后两千多年化学的基础。一直到了16、17世纪，一些医生、药剂师偶然发现，金属落到酸里面，会有一些气体产生，这种气体可以燃烧。18世纪，英国化学家普利斯特里发明了排水集气法，把这种可燃气体收集起来，对此的研究才开始深入起来。

普利斯特里的仪器装备，制取氢气有一定危险性，小朋友们要注意。

普利斯特里是一个爱恶作剧的人，他把这种可燃气体和空气混合在一起装在试管里，碰到朋友来访，就演示给他的朋友们看，只见他一点火，试管立马吐出长长的火舌，并发出震耳欲聋的爆炸声，将他的朋友们吓一跳，他把他的道具叫做“爆鸣气”。（这样的实验我们在家里也可以做）

这样的恶作剧他干了很多次，终于有一天，他发现演示之后的试管里会出现一些露珠，一开始他以为是试管没有擦干净，或者是因为英国的空气太潮湿。后来，他把试管擦的很干净，也用了干燥的空气，还是发现有水滴，他只能推论，金属碰到酸液产生的可燃气体可以燃烧生成水。

爱恶作剧的普里斯特利，其实他是一个化学家、神学家、政治理论家、教育家

真正对氢气进行了深入研究的，还得请出我们今天的主人公：卡文迪许，一个英国老宅男。

他终身未婚，把自己一个人宅在家里，不是整天游戏和看片，而是每天捣鼓瓶瓶罐罐，直到他死前一天，他还在做实验。他是如此孤僻，以至于他和他的仆人都要通过书信来交流。他的成就又是如此巨大，他的同胞牛顿提出了万有引力定律，而他第一个得出了引力常数G的数值，并推算出了地球的密度。他还在在电学方面有很多的成果，但是由于一直没有发表，都被欧姆、法拉第、库伦等人捷足先登了，一直到几十年后的麦克斯韦得到了他的文稿，大家才发现这个宅老头是如此之牛，麦克斯韦感叹：“卡文迪许几乎预料到电学上所有的伟大事实。”

卡文迪许通过扭秤实验算出了引力常数G，在那个年代，能通过如此精妙的实验设计做出这样的发现，我只能说两个字：太强！

读到这里，可能很多朋友会以为这个宅老头可能就是个穷酸书生吧，但其实……他是一个百万富翁。有一次他的仆人说缺钱，他直接开了张支票：5万英镑。

每次看到这里，我都不禁感叹唏嘘。看看我们身边，一部分人先富起来了，富裕了以后，人对待生活的态度也在不断变化，一部分人确实在用自己的财富反哺社会，帮助身边的人；也有一部分人觉得自己还不够富裕，跟阿猫阿狗相比，自己还有很多不如意的地方，因此在“致富”的道路上越走越远；更多的人开始沉湎于金钱的享乐，忘记了自己曾经的梦想。

其实我们应该想想，人生的目的是什么？高者胸怀宇宙，狭者至少也应该追求自己的兴趣爱好，卡文迪许的故事是不是可以给我们一些启发？

一辈子在自己家里做实验的隐者：亨利·卡文迪许

回到我们的宅老头吧，卡文迪许首先发现不管变换什么样的酸液，定量的金属只能产生定量的可燃气体，他还确定了可燃气体的比重只有空气的9%。他继续仔细研究了一下普利斯特里的恶搞实验，不仅是定性的重复爆炸去吓唬别人，而是用不同比例混合可燃气体和空气，反复做定量实验研究这些爆炸。

这个时候，瑞典人舍勒和英国人普里斯特利已经发现了氧气，卡文迪许就用纯氧代替空气进行试验，他不仅证明，试管里的露珠就是水，而且证明了2体积可燃气体和1体积纯氧恰好化合成水。这其实可以宣布水不是元素，是可燃气体和纯氧的化合物了。可惜的是，我们的宅老头是燃素学说（关于什么是燃素，我们写到氧的时候再具体说）的笃信者，他竟然认为可燃气体=水+燃素，而氧气自然就=水-燃素。

卡文迪许用来收集氢气的装置

所幸没过一两年，法国大牛拉瓦锡用天平打破了燃素理论，终于确定了可燃气体和氧一样，都是元素，而水是化合物，他用氢来命名可燃气体，意思是形成水的物质。终于，从泰勒斯到拉瓦锡，人类用了2000多年的时间，才终于打破了“水是不可分割的”这样的认识，人类认识自然是一条多么艰苦曲折的道路啊。

不管怎样，卡文迪许对于氢元素发现的贡献是最多的，拉瓦锡没有跟他抢功，把氢元素发现者让给了卡文迪许，让我们永远铭记这位伟大的老宅男吧。

卡文迪许（左）和拉瓦锡（右），那个时代的最精英。

小测试：

1， 谁是提出“水是万物始基”的人？

A） 泰勒斯

B） 亚里士多德

C） 赫拉克利特

D） 恩培多克勒

2， 氢元素的发现者是谁？

A） 普利斯特里

B） 卡文迪许

C） 拉瓦锡

D） 舍勒

3， 根据本文，卡文迪许都有哪些发现？（多选）

A） 万有引力常数

B） 推算地球密度

C） 发现氢气

D） 发现万有引力

太阳元素：氦

这不是首先在地球上发现的元素。

牛顿用三棱镜发现了原来白光是由七种颜色的光组成的，化学家本生和物理学家基尔霍夫这一对好基友让不同元素的盐在本生灯上燃烧，发出的光芒通过三棱镜，他们发现每种元素都有属于自己的一套特征光谱，从此以后，光谱分析成为化学家趋之若鹜的风潮，并发现了很多新元素，这些细节我们后面会详细讲。

牛顿第一个用三棱镜打开了光的魔盒，接下来的几个世纪里，光是波还是粒子的论战让人类对于光，甚至对于时间空间的认识都前进了一大步。而在化学领域，牛顿之后的本生、基尔霍夫开创了光谱化学。

日全食是天文爱好者和天文学家甚至所有科学家的盛宴，月球挡住了太阳本影，将太阳的外围清楚的暴露在太空里，地球上的人们得到了宝贵的机会去研究太阳大气甚至太阳以外的东西，科学家们会不远万里，奔波到最适合观测日全食的地方，历史上很多科学发现都是在日全食的机会下发生的。最有名的莫过于爱丁顿远道跋涉到南半球观测日全食，发现太阳的引力确实让远处的星光发生了偏折，证明了爱因斯坦广义相对论是正确的。

每次日全食都牵动着万千科研工作者的心，太阳好比一座宝库，有太多的奥秘等待着人类去发掘。

1868年8月18日也是精彩的一天，法国天文学家让逊来到印度把望远镜对准了太阳观察日全食，希望观测日珥。他让阳光通过了当时最流行的分光镜，在光谱中，他找到了一条从未发现过的黄线。两个月以后，其他人也在太阳光谱里发现了这条新线。按照当时大家的认识，发现了新的特征光谱意味着发现了新元素。由于这条线从来没有在地球上的物体里找到过，大家都认为这是只有在太阳上才存在的元素。甚至有人猜想，正是因为太阳上有这种元素，才能发光发热。化学界一致同意，以希腊文的太阳来命名这种新元素，这是人类第一次在地球以外发现的新元素。

古希腊的太阳神叫赫利奥斯，他每天早晨从东方升起，乘着四匹喷火的马拉的金车在天空运行，傍晚在西方落入瀛海。他的儿子法厄同觉得好玩，也想驾驶他的金车练练手，结果被烧死。如果你管不住自己的孩子，可以给他讲法厄同的故事吓他，比老虎、警察的效果会好很多。

20多年以后，人们几乎已经遗忘了这件事。苏格兰化学家拉姆塞发现了惰性气体氩，他想让氩跟别的元素化合，都以失败告终。有一天他正忙得焦头烂额，有人告诉他把钇铀矿放到硫酸里以后会冒出很多气体，让他看看是不是氩。拉姆塞把这些气体收集起来，让他们通过高温的镁粉，去除了氧气和氮气。然后他观测剩下的气体的光谱，确实里面有氩的光谱，但是同时又发现了一条黄线，一开始他以为是钠。

化学家都是强迫症，他想：“我又没把管子洗干净，该死的食盐又出现了。”然而，无论他如何仔细地清洗装置，那条黄线还是存在着，而且总是和钠的黄线保持一定距离。“该死，我的分光镜坏了！”拉姆塞开始抓狂，他又去折腾他的分光镜。

忙得焦头烂额的拉姆塞。

又是好几百次尝试，他尝试了所有的办法，这条和钠保持一定距离的神秘黄线一直存在。终于他开始陷入癫狂了：“是不是上帝在跟我开玩笑？”拉姆塞甚至开始这样想，因为自从本生和基尔霍夫开始，物理学家和化学家就知道钠的双黄线谱线是有一定不变的位置的，不管你从高山上，还是大海里找到的不同的钠盐，甚至观测太阳，其中的双黄线光谱也一定会出现在同样的位置！

最后他实在没招，把装有气体的管子邮寄给了好朋友克鲁克斯，过了几天，得到了好朋友的电报：“您请过来看看吧，你那管子里就是氦！”

太阳元素终于在地球上被发现了！

氦光谱。

钠光谱，与氦光谱的黄线差不了多少，但是这一点点是逃不过科学家的火眼金睛的。科学之路上，必须要有钻牛角尖的精神。

为什么之前一直没有被发现呢？其实空气里是有氦的，但是实在太少，才2.5ppm。而钇铀矿里的氦又是从哪儿来的呢？原来铀是一种放射性元素，它每时每刻都在放射出三种射线：α射线，β射线和γ射线，其中α射线就是氦原子核，所以氦原子核也叫α粒子。它是一种穿透性很弱的射线，甚至用一张纸就可以挡住它，α射线在捕捉到一些自由电子以后，就形成了氦原子。因此在放射性物质周围，经常会发现很多的氦元素。从宏观上看，被封闭的天然气里面经常会有氦气，截至现在，发现的氦气储量最大的地方在美国的大平原底下，氦气含量最多的地方竟然可以达到7%。

放射性重元素放射出的射线里面就有α粒子，其实就是氦原子核。

小测试：

1，最早在太阳光谱中发现氦谱线的是：

A） 拉姆塞

B） 让逊

C） 牛顿

D） 克鲁克斯,

2，氦谱线跟哪种元素的谱线比较相似，容易搞混：

A） 氢

B） 氧

C） 钠

D） 钾

（未完待续……）

长按关注【科普科幻青年之星】