【電子書】【牛津通識課10】元素週期表

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。