第七章 基本物質(zhì)
人們常說，化學(xué)作為一門嚴肅而受人尊敬的科學(xué)始于1661年。當時，牛津大學(xué)的羅伯特·玻義耳發(fā)表了"懷疑的化學(xué)家"——這是第一篇區(qū)分化學(xué)家和煉金術(shù)士的論文——但這一轉(zhuǎn)變是緩慢的，常常是不確定的。進入18世紀以后，兩大陣營的學(xué)者們都覺得適得其所——比如，德國人約翰·貝歇爾寫出了一篇關(guān)于礦物學(xué)的嚴肅而又不同凡響的作品，題目叫做《地下物理學(xué)》，但他也很有把握，只要有合適的材料，他可以把自己變成隱身人。
早年，最能體現(xiàn)化學(xué)那奇特而往往又很偶然的性質(zhì)的，要算是德國人亨內(nèi)?！げ继m德在1675年的一次發(fā)現(xiàn)。布蘭德確信，人尿可以以某種方法蒸餾出黃金。（類似的顏色似乎是他得出這個結(jié)論的一個因素。）他收集了50桶人尿，在地窖里存放了幾個月。通過各種奧妙的過程，他先把尿變成了一種有毒的糊狀物，然后再把糊狀物變成一種半透明的蠟狀物。當然，他沒有得到黃金，但一件奇怪而有趣的事情發(fā)生了。過了一段時間，那東西開始發(fā)光。而且，當暴露在空氣里的時候，它常常突然自燃起來。
它很快被稱之為磷，這個名字源自希臘文和拉丁文，意思是"會發(fā)光的"。有眼光的實業(yè)界人士看到了這種物質(zhì)的潛在商業(yè)價值，但生產(chǎn)的難度很大，成本太高，不好開發(fā)。一盎司(約28.35克)磷的零售價高達6幾尼——很可能相當于今天的300英鎊——換句話說，比黃金還要貴。
起先，人們號召士兵們提供原料，但這樣的做法對工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)幾乎無濟于事。18世紀50年代，一位名叫卡爾·金勒的瑞典化學(xué)家發(fā)明了一種方法，不用又臟又臭的尿就能大量生產(chǎn)磷。很大程度上就是因為掌握了這種生產(chǎn)磷的方法，瑞典才成為——而且現(xiàn)在還是——火柴的一個主要生產(chǎn)國。
金勒既是個非同尋常的，又是個極其倒霉的人。他是個地位低下的藥劑師，幾乎在沒有先進儀器的情況下發(fā)現(xiàn)了8種元素——氯、氟、錳、鋇、鉬、鎢、氮和氧——但什么功勞也沒有得到。每一次，他的發(fā)現(xiàn)要么不受人注意，要么在別人獨立做出同樣的發(fā)現(xiàn)以后才加以發(fā)表。他還發(fā)現(xiàn)了許多有用的化合物，其中有氨、甘油和單寧酸；他還認為氯可以用做漂白劑——具有潛在商業(yè)價值的第一人——這些重大的成就都使別人發(fā)了大財。
金勒有個明顯的缺點，他對做試驗用的什么東西都感到好奇，堅持要嘗一點兒，包括一些又難聞又有毒的物質(zhì)，比如汞、氫氰酸（這也是他的一項發(fā)現(xiàn)）和甲腈。甲腈是一種有名的有毒化合物，150年以后，歐文·薛定諤在一次著名的思維實驗中選它作為最佳毒素。金勒魯莽的工作方法最后斷送了他的性命。1786年，才43歲的他被發(fā)現(xiàn)死在工作臺旁，身邊堆滿了有毒的化學(xué)品，其中任何一種都可以造成他臉上那目瞪口呆的最后一個表情。
要是這世界是公正的話，要是大家都會說瑞典語的話，金勒本來會在全世界享有盛譽。
實際上，贊揚聲往往都給了更有名的化學(xué)家，其中大多數(shù)是英語國家的化學(xué)家。金勒在1772年發(fā)現(xiàn)了氧，但由于種種辛酸而復(fù)雜的原因，無法及時發(fā)表他的論文。功勞最終歸給了約瑟夫·普里斯特利，他獨立發(fā)現(xiàn)了同一個元素，但時間要晚，是在1774年的夏天。更令人矚目的是，金勒沒有得到發(fā)現(xiàn)氯的功勞。幾乎所有的教科書現(xiàn)在仍把氯的發(fā)現(xiàn)歸功于漢弗萊·戴維。他確實發(fā)現(xiàn)了，但要比金勒晚36年。
從牛頓和玻義耳，到金勒、普里斯特利和亨利·卡文迪許，中間隔著一個世紀。在這個世紀里，化學(xué)得到了長足的發(fā)展，但還有很長的路要走。直到18世紀的最后幾年（就普里斯特利而言，還要晚一點），各地的科學(xué)家們還在尋找——有時候認為真的已經(jīng)發(fā)現(xiàn)——完全不存在的東西：變質(zhì)的氣體、沒有燃素的海洋酸、福祿考、氧化鈣石灰、水陸氣味，尤其是燃素。當時，燃素被認為是燃燒的原動力。他們認為，在這一切的中間，還存在一種神秘的生命力，即能賦予無生命物體生命的力。誰也不知道這種難以捉摸的東西在哪里，但有兩點是可信的：其一，你可以用電把它激活（瑪麗·謝利在她的小說《弗蘭肯斯泰因》里充分利用了這種認識）；其二，它存在于某種物質(zhì)，而不存在于別的物質(zhì)。這就是化學(xué)最后分成兩大部分的原因：有機的（指被認為有那種東西的物質(zhì)）和無機的（指被認為沒有那種東西的物質(zhì)）。
這時候，需要有個目光敏銳的人來把化學(xué)推進到現(xiàn)代。法國出了這么個人。他的名字叫安托萬－洛朗·拉瓦錫。拉瓦錫生于1743年，是一個小貴族家族的成員（他的父親為這個家族出錢買了一個頭銜）。1768年，他在一家深受人們討厭的機構(gòu)里買了個開業(yè)股。那個機構(gòu)叫做"稅務(wù)總公司"，代表政府負責(zé)收取稅金和費用。根據(jù)各種說法，拉瓦錫本人又溫 和，又公正，但他工作的那家公司兩方面都不具備。一方面，它只向窮人征稅，不向富人征稅；另一方面，它往往很武斷。對拉瓦錫來說，那家機構(gòu)之所以很有吸引力，是因為它為他提供了大量的錢來從事他的主要工作，那就是科學(xué)。最多的時候，他每年掙的錢多達15萬里弗赫——差不多相當于今天的1
200萬英鎊。
走上這條賺錢很多的職業(yè)道路3年之后，他娶了他的老板的一個14歲的女兒。這是一樁心和腦都很匹配的婚事。拉瓦錫太太有著機靈的頭腦和出眾的才華，很快在她的丈夫身邊作出了許多成績。盡管工作有壓力，社交 生活很繁忙，在大多數(shù)日子里他們都要用5個小時——清晨2個小時，晚上3個小時——以及整個星期天（他們稱其為"快活的日子"）來從事科學(xué)工作。不知怎的，拉瓦錫還擠得出時間來擔(dān)任火藥專員，監(jiān)督修建巴黎的一段城墻來防范走私分子，協(xié)助建立米制，還和別人合著了一本名叫《化學(xué)命名法》的手冊。這本書成了統(tǒng)一元素名字的"圣經(jīng)"。
作為英國皇家科學(xué)院的一名主要成員，無論時下有什么值得關(guān)注的事，他還都得知道，積極參與——催眠術(shù)研究呀，監(jiān)獄改革呀，昆蟲的呼吸呀，巴黎的水供應(yīng)呀，等等。1870年，一位很有前途的年輕科學(xué)家向科學(xué)院提交 一篇論文，闡述一種新的燃燒理論；就是在那個崗位上，拉瓦錫說了幾句輕蔑的話。這種理論的確是錯的，但那位科學(xué)家再也沒有原諒他。
他的名字叫讓－保羅·馬拉。
只有一件事拉瓦錫從來沒有做過，那就是發(fā)現(xiàn)一種元素。在一個仿佛任何手拿燒杯、火焰和什么有意思的粉末的人都能發(fā)現(xiàn)新東西的時代——還要特別說一句，是一個大約有三分之二的元素還沒有被發(fā)現(xiàn)的時代里——拉瓦錫沒有發(fā)現(xiàn)一種元素。原因當然不是由于缺少燒杯。他有著天底下最好的私人實驗室，好到了差不多荒謬的程度，里面竟有13000只燒杯。
恰恰相反，他把別人的發(fā)現(xiàn)拿過來，說明這些發(fā)現(xiàn)的意義。他擯棄了燃素和有害氣體。
他確定了氧和氫到底是什么，并且給二者起了現(xiàn)今的名字。簡而言之，他為化學(xué)的嚴格化、明晰化和條理化出了力。
他的想像力實際上是得來全不費工夫的。多年來，他和拉瓦錫太太一直在忙于艱苦的研究工作，那些研究要求最精密的計算。比如，他們確定，生銹的物體不會像大家長期以來認為的那樣變輕，而會變重——這是一項了不起的發(fā)現(xiàn)。物體在生銹的過程中以某種方式從空氣中吸引基本粒子。認識到物質(zhì)只會變形，不會消失，這還是第一次。假如你現(xiàn)在把這本書燒了，它的物質(zhì)會變成灰和煙，但物質(zhì)在宇宙中的總量不會改變。后來，這被稱之為物質(zhì)不滅，是一個革命性的理念。不幸的是，它恰好與另一場革命——法國大革命——同時發(fā)生，而在這場革命中，拉瓦錫完全站錯了隊。
他不但是稅務(wù)總公司的一名成員，而且勁頭十足地修建過巴黎的城墻——起義的市民們對該建筑物厭惡之極，首先攻打的就是這東西。1791年，這時候已經(jīng)是國民議會中一位重要人物的馬拉利用了這一點，對拉瓦錫進行譴責(zé)，認為他早該被絞死。過不多久，馬拉在洗澡時被一名受迫害的年輕女子殺害，她的名字叫夏洛特·科黛，但這對拉瓦錫來說已經(jīng)為時太晚。
1793年，已經(jīng)很緊張的"恐怖統(tǒng)治"達到了一個新的高度。10月，瑪麗·安托瓦妮特被送上斷頭臺。11月，正當拉瓦錫和他的妻子在拖拖拉拉地制訂計劃準備逃往蘇格蘭的時候，他被捕了。次年5月，他和31名稅務(wù)總公司的同事一起被送上了革命法庭（在一個放著馬拉半身像的審判室里）。其中8人被無罪釋放，但拉瓦錫和其他幾人被直接帶到革命廣場（現(xiàn)在的協(xié)和廣場），也就是設(shè)置法國那個最忙碌的斷頭臺的地方。拉瓦錫望著他的岳父腦袋落地，然后走上前去接受同樣的命運。不到3個月，7月27日，羅伯斯庇爾被以同樣的方式、在同一地點送上了西天?？植澜y(tǒng)治很快結(jié)束了。
他去世100年以后，一座拉瓦錫的雕像在巴黎落成，受到很多人的瞻仰，直到有人指出它看上去根本不像他。在盤問之下，雕刻師承認，他用了數(shù)學(xué)家和哲學(xué)家孔多塞的頭像——他顯然備了一個——希望誰也不會注意到，或者即使注意到也不會在乎。他的后一種想法是正確的。拉瓦錫兼孔多塞的雕像被準許留在原地，又留了半個世紀，直到第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)。一天早晨，有人把它取走，當做廢鐵熔化了。
19世紀初，英國開始風(fēng)行吸入一氧化二氮，或稱笑氣，因為有人發(fā)現(xiàn)，使用這種氣體會"給人一種高度的快感和刺激"。在隨后的半個世紀里，它成了年輕人使用的一種高檔毒品 。有個名叫阿斯克協(xié)會的學(xué)術(shù)團 體一度不再致力于別的事情，專場舉辦"笑氣晚會"，志愿者可以在那里狠狠吸上一口，提提精神，然后以搖搖擺擺的滑稽姿態(tài)逗樂觀眾。
直到1846年，才有人有時間為一氧化二氮找到了一條實用途徑：用做麻醉藥。事情是明擺著的，過去怎么誰也沒有想到，害得天知道有多少萬人在外科醫(yī)生的刀下吃了不必要的苦頭。
我提這一點是為了說明，在18世紀得到如此發(fā)展的化學(xué)，在19世紀的頭幾十年里有點兒失去方向，就像地質(zhì)學(xué)在20世紀頭幾十年里的情況一樣。部分原因跟儀器的局限性有關(guān)系——比如，直到那個世紀末葉才有了離心機，極大地限制了許多種類的實驗工作。還有部分原因是社會。總的來說，化學(xué)是商人的科學(xué)，是與煤炭、鉀堿和染料打交 道的人的科學(xué)，不是紳士的科學(xué)。紳士階層往往對地質(zhì)學(xué)、自然史和物理學(xué)感興趣。（與英國相比，歐洲大陸 的情況有點兒不一樣，但僅僅是有點兒。）有一件事興許能說明問題。那個世紀最重要的一次觀察，即確定分子運動性質(zhì)的布朗運動，不是化學(xué)家做的，而是蘇格蘭植物學(xué)家羅伯特·布朗做的。（布朗在1827年注意到，懸在水里的花粉微粒永遠處于運動狀態(tài)，無論時間持續(xù)多久。這樣不停運動的原因——即看不見的分子的作用——在很長時間里是個謎。）要不是出了個名叫倫福德伯爵的杰出人物，情況或許還要糟糕。盡管有個高貴的頭銜，他本是普普通通的本杰明·湯普森，1753年生于美國馬薩諸塞州的沃本。湯普森英俊漂亮，精力充沛，雄心勃勃，偶爾還非常勇敢，聰明過人，而又毫無顧忌。19歲那年，他娶了一位比他大14歲的有錢寡婦 。但是，當殖民地爆發(fā)革命的時候，他愚蠢地站在保皇派一邊，一度還為他們做間諜工作。在災(zāi)難性的1776年，他面臨以"對自由 事業(yè)不夠熱心"的罪名而被捕的危險，搶在一伙手提幾桶熱柏油和幾袋雞毛，打算用那兩樣?xùn)|西把他打扮一下的反?；逝煞肿忧懊?，他拋棄了老婆孩子倉皇出逃。
他先逃到英國，然后來到德國，在那里擔(dān)任巴伐利亞政府的軍事顧問。他深深打動了當局，1791年被授予"神圣羅馬帝國倫福德伯爵"的稱號。在慕尼黑期間，他還設(shè)計和籌建了那個名叫英國花園的著名公園。
在此期間，他擠出時間搞了大量純科學(xué)工作。他成為世界上最著名的熱力學(xué)權(quán)威，成為闡述液體對流和洋流循環(huán)原理的第一人。他還發(fā)明了幾樣有用的東西，包括滴濾咖啡壺、保暖內(nèi)衣 和一種現(xiàn)在仍叫做倫福德火爐的爐灶。1805年在法國逗留期間，他向安托萬－洛朗·拉瓦錫的遺孀拉瓦錫太太求愛，娶她當了夫人。這樁婚事并不成功，他們很快就分道揚鑣。
倫福德繼續(xù)留在法國，直到1814年去世。他受到法國人的普遍尊敬，除了他的幾位前妻。
我們之所以在這里提到他，是因為1799年他在倫敦的短暫停留期間創(chuàng)建了皇家科學(xué)研究所。18世紀末和19世紀初，英國各地涌現(xiàn)了許多學(xué)術(shù)團 體，它成了其中的又一名成員。在一段時間里，它幾乎是惟一的一所旨在積極發(fā)展化學(xué)這門新興科學(xué)的有名望的機構(gòu)，而這幾乎完全要歸功于一位名叫漢弗萊·戴維的杰出的年輕人。這個機構(gòu)成立之后不久，戴維被任命為該研究所的化學(xué)教授，很快就名噪一時，成為一位卓越的授課者和多產(chǎn)的實驗師。
上任不久，戴維開始宣布發(fā)現(xiàn)一種又一種新的元素：鉀、鈉、錳、鈣、鍶和鋁。他發(fā)現(xiàn)那么多種元素，與其說是因為他搞清了元素的排列，不如說是因為他發(fā)明了一項巧妙的技術(shù)：把電流通過一種熔融狀態(tài)的物質(zhì)——就是現(xiàn)在所謂的電解。他總共發(fā)現(xiàn)了12種元素，占他那個時代已知總數(shù)的五分之一。戴維本來會作出更大的成績，但不幸的是，他是個年輕人，漸漸沉迷于一氧化二氮所帶來的那種心曠神怡的樂趣。他簡直離不開那種氣體，一天要吸入三四次．最后，在1829年，據(jù)認為就是這種氣體斷送了他的性命。
幸虧別處還有別的嚴肅的人在從事這項工作。1808年，一位名叫約翰·道爾頓的年輕而頑強的貴格會教徒，成為宣布原子性質(zhì)的第一人（過一會兒我們將更加充分地討論這個進展）；1811年，一個有著歌劇似的漂亮名字——洛倫佐·羅馬諾·阿馬德奧·卡洛·阿伏伽德羅——的意大利人取得了一項從長遠來看將證明是具有重大意義的發(fā)現(xiàn)——即體積相等的任何兩種氣體，在壓力相等和溫 度相等的情況下，擁有的原子數(shù)量相等。
它后來被稱做阿伏伽德羅定律。這個簡單而有趣的定律在兩個方面值得注意。第一，它為更精確地測定原子的大小和重量奠定了基礎(chǔ)。化學(xué)家們利用阿伏伽德羅數(shù)最終測出，比如，一個典型的原子的直徑是0.00000008厘米。這個數(shù)字確實很小。第二，差不多有50年時間，幾乎誰也不知道這件事。
一方面，是因為阿伏伽德羅是個離群索居的人——他一個人搞研究，從來不參加會議；另一方面，也是因為沒有會議可以參加，很少有幾家化學(xué)雜志可以發(fā)表文章。這是一件很怪的事。工業(yè)革命的動力在很大程度上來自化學(xué)的發(fā)展，而在幾十年的時間里化學(xué)卻幾乎沒有作為一門系統(tǒng)的科學(xué)獨立存在。
直到1841年，才成立了倫敦化學(xué)學(xué)會；直到1848年，那個學(xué)會才定期出版一份雜志。而到那個時候，英國的大多數(shù)學(xué)術(shù)團 體——地質(zhì)學(xué)會、地理學(xué)會、動物學(xué)學(xué)會、園藝學(xué)學(xué)會和（由博物學(xué)家和植物學(xué)家組成的）林奈學(xué)會——至少已經(jīng)存在20年，有的還要長得多。它的競爭對手化學(xué)研究所直到1877年才問世，那是在美國化學(xué)學(xué)會成立一年之后。由于化學(xué)界的組織工作如此緩慢，有關(guān)阿伏伽德羅1811年的重大發(fā)現(xiàn)的消息，直到1860年在卡爾斯魯厄召開第一次國際化學(xué)代表大會才開始傳開。
由于化學(xué)家們長期在隔絕的環(huán)境里工作，形成統(tǒng)一用語的速度很慢。直到19世紀末葉，h2o對一個化學(xué)家來說意為水，對另一個化學(xué)家來說意為過氧化氫。c2h2可以指乙烯，也可以指沼氣。幾乎沒有哪種分子符號在各地是統(tǒng)一的。
化學(xué)家們還使用各種令人困惑的符號和縮寫，常常是自己發(fā)明的。瑞典的j.j.伯采留斯發(fā)明了一種非常急需的排列方法，規(guī)定元素應(yīng)當依照其希臘文或拉丁文名字加以縮寫。這就是為什么鐵的縮寫是fe（源自拉丁文ferrum），銀的縮寫是ag（源自拉丁文argentum）。
許多別的縮寫與英文名字一致（氮是n，氧是o，氫是h等等），這反映了英語的拉丁語支性質(zhì)，并不是因為它的地位高。為了表示分子里的原子數(shù)量，伯采留斯使用了一種上標方法，如h2o。后來，也沒有特別的理由，大家流行把數(shù)字改為下標，如h2o。
盡管偶爾有人整理一番，直到19世紀末葉，化學(xué)在一定程度上仍處于混亂狀態(tài)。因此，當俄羅斯圣彼得堡大學(xué)的一位模樣古怪而又不修邊幅的教授躋身于顯赫地位的時候，人人都感到很高興。那位教授的名字叫德米特里·伊凡諾維奇·門捷列夫。
1834年，在遙遠的俄羅斯西伯利亞西部的托博爾斯克，門捷列夫生于一個受過良好教育的、比較富裕的大家庭。這個家庭如此之大，史書上已經(jīng)搞不清究竟有多少個姓門捷列夫的人：有的資料說是有14個孩子，有的說是17個。不過，反正大家都認為德米特里是其中最小的一個。門捷列夫一家并不總是福星高照。德米特里很小的時候，他的父親——當?shù)匾凰W(xué)的校長——就雙目失明，母親不得不出門工作。她無疑是一位杰出的女性，最后成為一家很成功的玻璃廠的經(jīng)理。一切都很順利，直到1848年一場大火把工廠燒為灰燼，一家人陷于貧困。堅強的門捷列夫太太決心要讓自己的小兒子接受教育，帶著小德米特里搭便車跋涉6000多公里(相當于倫敦到赤道幾內(nèi)亞的距離)來到圣彼得堡把他送進教育學(xué)院。她筋疲力盡，過不多久就死了。
門捷列夫兢兢業(yè)業(yè)地完成了學(xué)業(yè)，最后任職于當?shù)氐囊凰髮W(xué)。他在那里是個稱職的而又不很突出的化學(xué)家，更以他亂蓬蓬的頭發(fā)和胡 子而不是以他在實驗室里的才華知名。他的頭發(fā)和胡 子每年只修剪一次。
然而，1869年，在他35歲的那一年，他開始琢磨元素的排列方法。當時，元素通常以兩種方法排列——要么按照原子量（使用阿伏伽德羅定律），要么按照普通的性質(zhì)（比如，是金屬還是氣體）。門捷列夫的創(chuàng)新在于，他發(fā)現(xiàn)二者可以合在一張表上。
實際上，門捷列夫的方法，3年以前一位名叫約翰·紐蘭茲的英格蘭業(yè)余化學(xué)家已經(jīng)提出過，這是科學(xué)上常有的事。紐蘭茲認為，如果元素按照原子量來進行排列，它們似乎依次每隔8個位置重復(fù)某些特點——從某種意義上說，和諧一致。有點不大聰明的是——因為這么做時間還不成熟——紐蘭茲將其命名為"八度定律"，把這種安排比做鋼琴鍵盤上的八度音階。紐蘭茲的說法也許有點道理，但這種做法被認為是完全荒謬的，受到了眾人的嘲笑。
在集會上，有的愛開玩笑的聽眾有時候會問他，他能不能用他的元素來彈個小曲子。紐蘭茲灰心喪氣，沒有再研究下去，不久就銷聲匿跡了。
門捷列夫采用了一種稍稍不同的方法，把每七個元素分成一組，但使用了完全相同的前提。突然之間，這方法似乎很出色，視角很清晰。由于那些特點周期性地重復(fù)出現(xiàn)，所以這項發(fā)明就被叫做"周期表"。
據(jù)說，門捷列夫是從北美洲的單人牌戲獲得了靈感，從別處獲得了耐心。在那種牌戲里，紙牌按花色排成橫列，按點數(shù)排成縱行。他利用一種十分相似的概念，把橫列叫做周期，縱行叫做族。上下看，馬上可以看出一組關(guān)系；左右看，看出另一組關(guān)系。具體來說，縱列把性質(zhì)類似的元素放在一起。因此，銅的位置在銀的上面，銀的位置在金的上面，因為它們都具有金屬的化學(xué)親和性；而氦、氖和氬處于同一縱行，因為它們都是氣體。（決定排列順序的，實際上是它們的電子價。若要搞懂電子價，你非得去報名上夜校。）與此同時，元素按照它們核里的質(zhì)子數(shù)——叫做原子序數(shù)——從少到多地排成橫列。
有關(guān)原子的結(jié)構(gòu)和質(zhì)子的意義，我們將在下一章加以敘述。眼下，我們只來認識一下那個排列原則：氫只有一個質(zhì)子，因此它的原子序數(shù)是1，排在表上第一位；鈾有92個質(zhì)子，因此快要排到末尾，它的原子序數(shù)是92。在這個意義上，正如菲利普·鮑爾指出的，化學(xué)實際上只是個數(shù)數(shù)的問題。（順便說一句，不要把原子序數(shù)和原子量混在一起。原子量是某個元素的質(zhì)子數(shù)加中子數(shù)之和。）
還有大量的東西人們不知道或不懂得。宇宙中最常見的元素是氫；然而，在后來的30年里，對它的認識到此為止。氦是第二多的元素，是在此之前一年才發(fā)現(xiàn)的——以前誰也沒有想到它的存在——而即使發(fā)現(xiàn)，也不是在地球上，而是在太陽里。它是在一次日食時用分光鏡發(fā)現(xiàn)的，因此以希臘太陽神赫利奧斯命名。直到1895年，氦才被分離出來。即使那樣，還是多虧了門捷列夫的發(fā)明，化學(xué)現(xiàn)在才站穩(wěn)了腳跟。
對我們大多數(shù)人來說，周期表是一件美麗而抽象的東西，而對化學(xué)家來說，它頓時使化學(xué)變得有條有理，明明白白，怎么說也不會過分。"毫無疑問，化學(xué)元素周期表是人類發(fā)明出來的最優(yōu)美、最系統(tǒng)的圖表。"羅伯特·e.克雷布斯在《我們地球上的化學(xué)元素：歷史與應(yīng)用》一書中寫道——實際上，你在每一部化學(xué)史里都可以看到類似的評價。
今天，已知的元素有"120種左右"——92種是天然存在的，還有20多種是實驗室里制造出來的。實際的數(shù)目稍有爭議，那些合成的重元素只能存在百萬分之幾秒，是不是真的測到了，化學(xué)家們有時候意見不一。在門捷列夫時代，已知的元素只有63種。之所以說他聰明，在一定程度上是因為他意識到當時已知的還不是全部元素，許多元素還沒有發(fā)現(xiàn)。他的周期表準確地預(yù)言，新的元素一旦發(fā)現(xiàn)就可以各就各位。
順便說一句，沒有人知道元素的數(shù)目最多會達到多少，雖然原子量超過168的任何東西都被認為是"純粹的推測"；但是，可以肯定，凡是找到的元素都可以利索地納入門捷列夫那張偉大的圖表。
19世紀給了化學(xué)家們最后一個重要的驚喜。這件事始于1896年。亨利·貝克勒爾在巴黎不慎把一包鈾鹽忘在抽屜里包著的感光板上。過一些時候以后，當他取出感光板的時候，他吃驚地發(fā)現(xiàn)鈾鹽在上面燒了個印子，猶如感光板曝過了光。鈾鹽在釋放某種射線。
考慮到這項發(fā)現(xiàn)的重要性，貝克勒爾干了一件很古怪的事：他把這事兒交 給一名研究生來調(diào)查。說來運氣，這位學(xué)生恰好是一位新來的波蘭移民，名叫瑪麗·居里。居里和她的新丈夫皮埃爾合作，發(fā)現(xiàn)有的巖石源源不斷地釋放出大量能量，而體積又沒有變小，也沒有發(fā)生可以測到的變化。她和她的丈夫不可能知道的是——下個世紀愛因斯坦作出解釋之前誰也不可能知道的是——巖石在極其有效地把質(zhì)量轉(zhuǎn)變成能量。瑪麗·居里把它稱之為"放射作用"。在合作過程中，居里夫婦還發(fā)現(xiàn)兩種新的元素——釙和鈾。釙以她的祖國波蘭命名。
1903年，居里夫婦和貝克勒爾一起獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。（1911年，瑪麗·居里又獲得了諾貝爾化學(xué)獎；她是既獲化學(xué)獎又獲物理學(xué)獎的惟一一人。）
在蒙特利爾的麥克吉爾大學(xué)，新西蘭出生的年輕人歐內(nèi)斯特·盧瑟福對新的放射性材料產(chǎn)生了興趣。他與一位名叫弗雷德里克·索迪的同事一起，發(fā)現(xiàn)很少量的物質(zhì)里就儲備著巨大的能量，地球的大部分熱量都來自這種儲備的放射衰變。他們還發(fā)現(xiàn)放射性元素衰變成別的元素——比如，今天你手里有一個鈾原子，明天它就成了一個鉛原子。這的確是非同尋常的。這是地地道道的煉金術(shù)；過去誰也沒有想到這樣的事兒會自然而自發(fā)地發(fā)生。
盧瑟福向來是個實用主義者，第一個從中看到了寶貴的實用價值。他注意到，無論哪種放射物質(zhì)，其一半衰變成其他元素的時間總是一樣的——著名的半衰期——這種穩(wěn)定而可靠的衰變速度可以用做一種時鐘。只要計算出一種物質(zhì)現(xiàn)在有多少放射量，在以多快的速度衰變，你就可以推算出它的年齡。他測試了一塊瀝青鈾礦石——鈾的主要礦石——發(fā)現(xiàn)它已經(jīng)有7億年——比大多數(shù)人認為的地球的年齡還要古老。
1904年春，盧瑟福來到倫敦給英國皇家科學(xué)研究所開了一個講座——該研究所是倫福德伯爵創(chuàng)建的，只有150年歷史，雖然在那些卷起袖子準備大干一場的維多利亞時代末期的人看來，那個搽白粉、戴假發(fā)的時代已經(jīng)顯得那么遙遠。盧瑟福準備講的是關(guān)于他新發(fā)現(xiàn)的放射現(xiàn)象的蛻變理論；作為講課內(nèi)容的一部分，他拿出了那塊瀝青鈾礦石。盧瑟福很機靈地指出——因為年邁的開爾文在場，雖然不總是全醒著——開爾文本人曾經(jīng)說過，要是發(fā)現(xiàn)某種別的熱源，他的計算結(jié)果會被推翻。盧瑟福已經(jīng)發(fā)現(xiàn)那種別的熱源。多虧了放射現(xiàn)象，可以算出地球很可能——不言而喻就是——要比開爾文最終計算出的結(jié)果2
400萬年古老得多。
聽到盧瑟福懷著敬意的陳述，開爾文面露喜色，但實際上無動于衷。他拒不接受那個修改的數(shù)字，直到臨終那天還認為自己算出的地球年齡是對科學(xué)最有眼光、最重要的貢獻——要比他在熱力學(xué)方面的成果重要得多。
與大多數(shù)科學(xué)革命一樣，盧瑟福的新發(fā)現(xiàn)沒有受到普遍歡迎。都柏林的約翰·喬利到20世紀30年代還竭力認為地球的年齡不超過8900萬年，堅持到死也沒有改變。別的人開始擔(dān)心，盧瑟?，F(xiàn)在說的時間是不是太長了點。但是，即使利用放射性測定年代法，即后來所謂的衰變計算法，也要等幾十年以后我們才得出地球的真正年齡大約是在10億年以內(nèi)。科學(xué)已經(jīng)走上正軌，但仍然任重而道遠。
開爾文死于1907年。德米特里·門捷列夫也在那年去世。和開爾文一樣，他的累累成果將流芳百世，但他的晚年生活顯然不大平靜。隨著人越來越老，門捷列夫變得越來越古怪——他拒不承認放射現(xiàn)象、電子以及許多別的新鮮東西的存在——也越來越難以相處。在最后的幾十年里，無論在歐洲什么地方，他大多怒氣沖沖地退出實驗室和課堂。1955年，第101號元素被命名為鍆，作為對他的紀念。"非常恰當，"保羅·斯特拉森認為，"它是一種不穩(wěn)定的元素。"
當然，放射現(xiàn)象實際上在不停地發(fā)生，以誰也估計不到的方式發(fā)生。20世紀初，皮埃爾·居里開始出現(xiàn)放射病的明顯癥狀——骨頭里隱隱作痛，經(jīng)常有不舒服的感覺——那些癥狀本來肯定會不斷加劇。但是，我們永遠也無法確切知道，因為他1906年在巴黎過馬路時被馬車撞死了。
瑪麗·居里在余生干得很出色，1914年幫助建立了著名的巴黎大學(xué)鈾研究所。盡管她兩次獲得諾貝爾獎，但她從來沒有當選過科學(xué)院院士。在很大程度上，這是因為皮埃爾死了以后，她跟一位有妻室的物理學(xué)家發(fā)生了曖昧 關(guān)系。她的行為如此不檢點，連法國人都覺得很丟臉——至少掌管科學(xué)院的老頭兒們覺得很丟臉。當然，這件事也許跟本書不相干了。
在很長時間里，人們認為，任何像放射性這樣擁有很大能量的現(xiàn)象肯定是可以派上用場的。有好幾年時間，牙膏和通便劑的制造商在自己的產(chǎn)品里放入了有放射作用的釷；至少到20世紀20年代，紐約州芬格湖地區(qū)的格倫泉賓館（肯定還有別的賓館）還驕傲地以其"放射性礦泉"的療效作為自己的特色。直到1938年，才禁止在消費品里放入放射性物質(zhì)。到這個時候，對居里夫人來說已經(jīng)為時太晚。她1934年死于白血病。事實上，放射性危害性極大，持續(xù)的時間極長，即使到了現(xiàn)在，動她的文獻——甚至她的烹飪書——還是很危險的。她實驗室的圖書保存在鉛皮襯里的箱子里，誰想看這些書都得穿上保護服。
多虧第一代原子科學(xué)家的獻身精神和不懼高度危險的工作，20世紀初的人們越來越清楚，地球毫無疑問是很古老的，雖然科學(xué)界還要付出半個世紀的努力才能很有把握地說它有多么古老。與此同時，科學(xué)很快要進入一個新時代——原子時代。
