第二章 历史4.发现过程

众多的化学家、物理学家和工程师曾为发现王国领地做出了贡献。有些

人偶然发现了一种新元素；另有一些人已计划勘察旅行，期望能向世人宣告和证实某一特殊领地的存在。有些勘察相当于开疆拓土，因为在南部海岸完全有可能增添新的领地。

许多元素的发现过程早在古代已被人遗忘。是哪一位天才首先分离出铜，开辟了社会前进的通道？是谁最先鉴定出铁，加快了人类社会的进程？ 这些都无人知晓。化学界一些探险家的名字，大约从 17 世纪以后才流传下来，而在此以前元素的发现者，与古代陆地的发现者一样；留下的是无名氏。甚至有些领地名称的由来实际上也不知道，或者只能是妄加推测。近些时期以来，领地的命名成为发现者的特权（虽然这一特权正在被一些委员会所占有），而且新元素名称的来历也有较可靠的记载。这方面仍然有些争论，因为有时并不完全清楚究竟是谁首先提出对王国海岸某一特定地段的命名，一些国际委员会也在设法解决这方面的矛盾。

多数元素并不是懒懒散散凭着运气就能发现的，探索者不能像采矿人淘金和洞穴人拾到一块光彩的石头或陨石那样，偶然发现某个新领地。王国中多数新元素的发现都是对艰辛的勘察工作的回报，勘察者正是利用了新技术的力量把人类知识推向新的领域。最初利用的新技术是火，火能使化合物分离开来。当初利用火时，还令人难以理解，看上去就像变魔术一样。例如， 只是在用火燃烧某种石头时，才获得了成块的铁。小心地控制火，不让火烧得过猛，燃烧物经过缓慢燃烧就会剩下另一种元素——碳（即木炭）。人们发现，燃烧炭可以得到更强烈的火焰，使这种火焰作用于某些石头，可以余留下一些金属。王国地峡上与铁邻近的锡、铅和另一些元素正是以这种方式发现的，并依次发现了其他的元素。

概括地说，新元素的发现有赖于新技术的发展，而新发现的元素又反过来引发更新的技术。利用这些新技术可分离出原先只存在于化合物中的元素。人们曾竭力想辨认出某一新物质是否为一种元素，但结果还是错了。现代技术可以消除这种认识上的分歧。现在，我们可以取某一试样，使之分裂成原子，然后测定原子质量，并确定它们是否都相同，即所得样品是否为单一元素。很久以前，根据定性资料推断是确定元素的主要方法，这是人类智慧力量值得纪念的成就，因为正是依靠这种方法才使我们对周期王国有如此之多的了解。

有些元素，最明显的是金、铜和硫，能以天然形态出现。在这些元素中还有地球大气层的气体。然而，要鉴别大气层，则需要一些先进技术。大气是若干元素（以及这些元素的某些化合物）的混合物，这在王国历史上很晚才认识到。即使最简单的元素氢，除了被地下岩层封存的纯氢气囊外，地球上几乎也没有发现它的天然形态。氢是宇宙中最丰富的一种元素，然而和其他所有元素（除了氦很丰富但不活泼外）一起，都被认为数量很少并对宇宙有严重的污染。直到 20 世纪早期，人们才承认氢在宇宙中普遍存在的事实。与哲学家的预言相反”，天文学家研制出各种形式的分光镜，用以监测物质对辐射的吸收和发射的特性，以此测定那些远离地球的天体的成分。

1774 年，有人利用遥远的太阳这一核子火焰发现了氧。18 世*1835 年， 实证主义哲学家孔德（Comte）在谈到太阳和其他天体时曾经断言：“我们相信有可能测定它们的形状、距离、大小和运动，却无论如何也不可能研究出它们的化学成分、矿物结构，乃至生活在它们表面的有机物。”哲学家坐在椅子上空想的推断，就是如此。纪，一位英国化学家，也是一位牧师，约瑟夫·普里斯特利（Jeseph Priestley）利用透镜把太阳光聚焦到装有氧化汞的小瓶上，产生了一种能使人提神的气泡。把普里斯特利定为氧的最后发现者，也许是最合适的。因为，在此之前也曾有人报道过氧的制备，但并未说明它是一种元素。事实上，瑞典化学家卡尔·谢勒（Karl Scheele）比普里斯特利还要早两年就发现了氧，但因未及时公布而失去了本应享有的领先权。与地球上发现新领土的情况一样，后人总是纪念最后发现那个地区的人。早在古怪守旧的隐士兼化学家亨利·卡文迪什（Henry Cavendish，剑桥大学的卡文迪什实验室就是用他的财产建立的）承认氢是一种元素以前，氢就被制备出来了。鉴别出氢和氧以后，就像 1781 年卡文迪什所做的那样，很容易证明由氢和氧这两种气体结合而成的水不是一种元素。

1. 世纪初期，又有一项非常特殊的技术进展，至今仍广泛应用于工业生产，那就是电解法。所谓电解法就是藉助于电流使物质分解。18 世纪末，由于伏打电池和其他一些由化学反应产生稳定电流的装置已研制成功，通过当时看来十分新奇的电现象去研究能够获得哪些成果，就成为很自然的事情了。当时已了解到电能产生冲击波，那么如果利用电把物体冲击成不同的形状，又会怎样呢？1807 年汉弗莱·戴维（Humphry Davy）在当时英国伦敦大不列颠皇家协会新建的第一个专用实验室里，将电流施加于熔融状的苛性钾

（现在我们知道就是氢氧化钾），获得一种活性金属的银色小珠，他把这种金属命名为钾。钾位于周期王国的西海岸，是用电解法分离出的第一种金属。几天之内，戴维又设法使用同样的方法处理苛性苏打（氢氧化钠），并获得了钾的同族兄弟，命名为钠。钠是钾的北面邻居。在那久远的年代，盛行谦虚之风，如果按现代风气，他很可能要在这些名称之前冠以皇家协会、伦敦、甚至汉弗莱·戴维等名词。

电解法很快就应用于各类物质。1808 年，戴维用电解法从镁的化合物中提取出镁，随后又提取出钙和锶。在这一重要技术的影响下，对王国的认识达到了当时的最高水平，王国领地有了空前的扩展，周期王国在欧洲大陆取得了诸多方面的发展。探索者们绘制出卤族元素所在的王国东部海角的地图，恢复了对氯和溴的认识[谢勒于 1774 年发现了氯，戴维于 1810 年辨认出氯是一种元素并加以命名，安东尼·杰罗姆·巴拉尔（Antoine Jerome Balard） 于 1826 年发现了嗅]。王国东部矩形地块山峰上活泼的氟，直到 19 世纪后期

仍未查明，更没有在图上绘出，但这座“山峰”最终于 1886 年被亨利·穆瓦桑（Henri Moissan）用电解法征服，使之加入了周期王国。

到 18 世纪 60 年代，人们已对周期王国的 60 多个领地有了认识，而绘制王国地图的一大好处是使人们可以联想到还有一些领地应该出现在什么地方，勘察者应该往哪个方向安排他们的旅程。此外，王国并不是由一些领地胡乱拼凑起来的，而是一个由许多同族邻居组成的国家。所以，只要留心邻居们的特性，就至少可以概括地推测出，或在某些方面详细地推测出被遗漏领地的特性。德米特里·门捷列夫（Dmiiri Mendeleev）是周期王国的主要历史人物之一，他于 1869 年即基本上按照现今的方式划分了王国，并证明了

上述方法发现新领地的效率。例如，门捷列夫辨认出靠近硅有一个尚未命名的空白地区，他称之为准硅（eka-silican，eka 在梵文中是 1 的意思），并根据该空白区所要求的条件和对硅的认识推测了准硅的特性。当德国化学家克莱门斯·温克勒（Clemens Winkler）于 1886 年发现这块领地并称之为锗时，证明了门捷列夫基本上是对的。准硼（即钪）和准铝（即镓）的情况也一样。虽然钪在 1876 年已为人所知，但到 1936 年才被分离出来。镓于 1875 年被发现。玛丽·居里（Marie Curie）是一位坚韧不拔的女探索者，她根据镭北面邻居钡的特性，对镭可能具有的特性进行推测，并从数吨沥青铀矿（一种不纯的铀矿石）中分离出放射性的镭。

这种逐步探索的方法是很不错的，但有时也会失败。王国东部矩形地块上就曾有过引人注目的例证。我们知道，王国西海岸有一座陡峭的悬崖，这是由非常活泼的碱金属在那里形成的，矗立在西部沙漠的边缘，该悬崖内侧是由碱土金属形成的稍低的山脉。在王国东部矩形地块的东边缘上与这些西部的活性元素山峰相对应的首先是元素氧和硫的领地，然后是高高的卤素山脉，情况似乎和遥远的西部一样，卤素山脉应旋即伸向空荡荡的大海，但王国的这种对称性完全是一种错觉，因为在卤素山峰的低处还存在着稀有气体，即后来被称作惰性气体的海岸地区。

此外，还有一件意外的事。1894 年，化学家威廉·拉姆赛（William Ramsay）和物理学家洛德·瑞利（Lord Rayleigh）注意到从含氮化合物分解出的氮与从大气中分离获得的氮在密度上有差异（应该说明的是，这种现象一直未完全被承认，直到 1785 年，卡文迪什推测出可能有一种不活泼的气体和氮混合在一起，但他对推测没有继续进行验证）。瑞利猜想，这种密度上的差异，是否意味着含氮化含物中可能还有一种较轻的物质存在？拉姆赛则持相反的观点，他猜想从大气中获得的气体氮可能混杂有一种较重的气体。经过一段时间，他发现能够把大气中的“氮”分离成真正的氮和另一种气体， 后者甚至更缺乏活性，由此，他发现了氩（该名称来自希腊语“懒惰的”） 的存在，东部海岸边缘低地的第一块领地露出了它的外貌。正如我们已注意到，冠一点也不稀有，大气中氩的含量甚至比二氧化碳还要丰富，意想不到的是王国地势毫无迹象表明氩元素的存在。当我们转而考虑王国的结构，即王国的构成原理时，我们就会了解到，氩原本是可以预测的，因为对王国地下结构来说，氩定然存在。不过，1894 年王国的地下结构尚未被发现，惰性气体所在的东海岸地带就像是一个被遗忘的世界。顺便提一句，这种地下结构模式排除了在西部悬崖那边也存在相应的地势低平而被遗忘的世界的可能，所以年轻的考察者不要浪费时间去探索碱金属西面有些什么，而年长的考察者也不必对此进行推测。王国很可能有一个亚特兰蒂斯岛，但它肯定不在西面。请继续往下看。

氩的发现使人们认识到东海岸区域还有另外一些领地，于是很快就发现了氖、氪和氙，这些元素都是由拉姆赛于 1898 年发现的。北部海滨地区孤独的海角上的氦早已发现，但不是在地球上发现的，而是发现于太阳，并因此而得名。从某种意义上讲，氦的发现是一件很不寻常的事情。首先，氦大约占宇宙元素的 25％，但它潜藏在暗中不露面，一直没有人注意它。直到 1868 年的一次日食，人们才使用光谱术发现了它。其次，尽管氦如此丰富，却一直未能在地球上找到它，直到 1895 年拉姆赛报道说，借助于加热铀矿石发现了一种新奇的气体，才分离出了氦气。第三，虽然气体氦最先发现于太阳这

一局部宇宙中最热的地方，但实际上氦却促进了最冷的技术领域的发展。氦气经冷却加压后可变成液态氦，液氦是低温实验和低温工艺不可缺少的物质。直至最近，液氦仍然是实现超导的唯一途径。

进入 20 世纪，东部海岸只剩下一个地区有待发现。又是拉姆赛开辟了通

往这一领地的道路。拉姆赛于 1908 年分离出放射性气体氡。当然，拉姆赛和一批化学家共同开展工作，有些发明是他单独完成的，有的尚有争议，但王国中其他整块地带被发现还没有如此多地归功于某个个人。

1. 世纪中叶，由于战争的迫切需要，勘测周期王国的工作发展十分迅速。20 世纪 10 年代，为制造原子弹而制订的曼哈顿计划同时也成为一项巨大的开垦计划，在王国南部海域拓展了王国的领土，在那里找到并辨认出一些新的元素。首先，在南部海域向南开拓了狭长的近海岛屿，即发现了锕类金属。曼哈顿计划开始时，位于岛屿末端的元素是铀。但只要把这种元素适当地组合成铀堆（当时的叫法），即现在的原子反应堆，便具有产生新元素的潜能。最初，铀产生出镎和钚，于是岛屿的南海岸开始向东扩展。甚至南方岛屿北面的狭长地带（镧族元素），也从其南面领土的扩展中受到益处。人们研究出一些特殊方法，把几乎相同的锕类元素一一分离开来，并将这些方法应用于其北面的狭氏地带，又大大促进了镧族元素的分离，尤其是色谱法，可根据核素穿过某种粘性介质所需的时间不同来分离元素。

稍后一些时候，人们开始采用合成法来开发王国领土，即用较简单的成分来构成元素。执行曼哈顿计划的另一项结果是人们已能使用一些设备装置研制出王国南部海岸的高瞬变元素，其中包括使用回旋加速器、同步加速器和线性加速器。从那些基本无用的元素中任选一种制造出几个瞬变原子，就如同要求拥有王国的整个新海岸，或是制造那些太阳系任何地方都不存在的种种物质。要制造新的原子，就要使原子撞击原子。如果撞击成功，它们就混为一体并在几分之一秒的瞬间粘着在一起，形成某种新元素的原子。

靠近王国南方前哨阵地可能有一个尚未被发现的亚特兰蒂斯岛。现行的科学观点认为，虽然王国南部海岸由瞬变元素的领地组成，但更往外去，在不稳定的海洋中存在着一个稳定的岛屿，岛上的元素至今无人知晓，而这些元素或许比我们现今努力制备的那些元素存在得时间更长些。几乎可以肯定，这一岛屿如果被开发也会由于放射性而不适合人们居住，并且这些新元素的原子只能持续几个月，所以这个地区的生命短暂，也基本上没有用处。但无论如何，这足以鼓舞那些寻求原子能的哥伦布们扬帆驶向这些地区，即使仅仅对这些地区稍有了解，也是无法估价的成绩。