1. 位置决定命运

一说到元素周期表，大多数人都会想起高中时化学教室前面墙上挂着的表格，不对称的行行列列从老师的肩膀上冒出头来。那张表一般很大，1.8米×1.2米左右，看起来气势凛然却又恰如其分，昭示出它在化学里的重要地位。9月初，全班同学就认识了这张表，直到次年5月末，大家还在跟它打交道。而且，老师鼓励大家在考试的时候参考元素周期表，科学资料里这是独一份，讲义或教科书都不行。不过当然，也许你还记得一点儿元素周期表带来的挫败感：虽然你可以自由查阅这么大的一张“小抄”，可是真该死，它好像一点儿忙都帮不上你。

一方面，元素周期表看起来整洁精练，简直是科学界的德国工艺；另一方面，它又杂乱无章，到处都是长长的数字、莫名其妙的缩写，还有怎么看都像是电脑错误提示的东西（[Xe]6s ² 4f ¹ 5d ¹ ），面对这样的东西，你很难不感到焦虑。而且，虽然元素周期表显然与其他学科有联系，例如生物和物理，可我们却不清楚具体是什么联系。也许，对于许多学生而言，最强烈的挫败感在于，那些真正理解了元素周期表、弄明白了它的原理的人，居然能够从这么冷冰冰的呆板表格中解读出那么多的信息。色觉健全的人从颜色杂乱的点状图中看出来“7”或者“9”的时候，色盲感受到的一定也是相同的恼怒——关键的信息总是很狡猾，从不轻易自动现形。人们怀着复杂的心情，记住了这张表格，有迷恋，有喜爱，有遗憾，还有憎恨。

在介绍元素周期表之前，每个老师都应该先抹掉所有杂乱的内容，让学生只看空白的表格。

看起来像什么？有点儿像是一座城堡，主墙起伏不平，两头都有防御用的塔楼高高凸起，左边有一部分好像是皇家泥水匠还没砌完。表中有长短不一的18个纵列，水平则有7行，下面还有另外的2行“着陆跑道”。城堡是用“砖”砌成的，有件事儿在表中没法一眼就看出来，但必须首先说明：砖的位置不能互换。每一块砖代表一种元素，或者说一种物质（目前，元素周期表由112种已知元素和少量未知元素组成），如果有任何一块砖不在它应该待的位置上，整座城堡就会崩塌。这绝非夸张：如果科学家们突然发现某种元素应该待在另一个位置上，或者某两种元素的位置可以互换，那么周期表这座大厦就会轰然倒塌。

这座城堡还有一个建筑学特点：不同的区域采用不同的材料构建。也就是说，砖块的质地并不相同，它们的性质也各有差异。75%的砖块是金属，这意味着大多数元素是冰冷的灰色固体，至少在人类习惯的温度下是这样的。东边的几列包括多种气体，但只有两种元素在室温下呈液态——汞和溴。在金属和气体之间，大致相当于肯塔基州在美国地图上的方位，这里是一些难以定义的元素，无定形的天性赋予了它们有趣的特质，比如说，它们能产生的酸味比化学品仓库里的强上无数倍。总而言之，如果每一块砖都由它所代表的材料制成，这座元素城堡就会变成一头奇美拉那样的怪兽，随着年代变化，它身上会长出新的器官和翅膀。或者宽容一点儿说，它是一座丹尼尔·里博斯金 式建筑——用看似矛盾的材料构成简洁优雅的整体。

城堡的蓝图要小心描画，因为某种元素在这张图里的位置几乎决定了它的全部科学意义。对于元素来说，位置即命运。事实上，现在你对这张表格的轮廓已经有了大概的印象，再给你一个更有用的比喻：元素周期表就像一张地图。现在我们再来加入一些细节，从东向西对它进行标定，无论是著名元素还是冷僻元素，都会被收纳进来。

首先，我们来看最右边的第18列，这一组元素被称为高贵气体 。“高贵”这个词儿古色古香，听起来很有趣，更像是个伦理学或哲学词语而不像是化学术语。事实上，“高贵气体”的说法可以追溯到西方哲学的起源地——古希腊。当时，希腊人留基伯和德谟克利特提出了“原子”的概念，后来他们的同胞柏拉图创造了“元素”一词（希腊文为stoicheia），作为不同的物质粒子的泛称。公元前400年左右，在导师苏格拉底去世后，柏拉图为了自己的安全离开了雅典，此后多年他一直四处流浪，撰写哲学著作。柏拉图当然不知道每种元素的确切化学名称，不过他要是知道的话，肯定会将周期表最东边的这些元素当作至爱，尤其是氦。

在《会饮篇》中，谈及爱与欲的时候，柏拉图提出，每个存在都渴求找到让自己完满的东西，即自己失去的另一半。反映到人的身上，这样的渴求意味着激情与性，同时也意味着伴随激情与性而来的一切问题。此外，柏拉图在对话录中还强调说，比起那些碌碌营营、跟什么东西都有交互反应的事物来，抽象不变的事物从本质上说更为高尚。这解释了他为什么独爱几何学，那些理想的圆和立方体都只存在于我们的头脑里。对于数学以外的事物，柏拉图提出了“理型论”，他认为所有事物都是某种理想事物的投影。比如说，所有的树都是一棵理想的树不完美的复制品，它们渴求理想树完美的“本树”。同样，也有鱼和“本鱼”，甚至杯子和“本杯”。柏拉图相信，这些理型不仅是个理论，而且真实存在，虽然只存在于人类知觉无法触及的天堂世界。所以，当科学家开始在我们的真实世界里用氦召唤出理型时，如果柏拉图能够亲眼看见，他一定会和其他所有人一样深受震撼。

1911年，一位荷兰-德国裔科学家用液氦冷却汞时发现，当温度低于-268.9℃时，该系统的电阻会完全消失，变成一种理想导体。有点儿像是把你的iPod冷却到零下几百摄氏度，然后你会发现，不管用多大音量放多长时间音乐，它的电池电量永远是满的，只要液氦一直让电路保持低温就行。1937年，一个俄罗斯与加拿大合作的小组用纯氦变了个更漂亮的魔术。当温度降低到-271.1℃时，氦会变成一种超流体，其黏度和流动阻力都是绝对的0——完美“本液体”。超流体氦无视重力，可以向上流动，翻越墙壁。当时，这样的发现让人瞠目结舌。科学家们经常假设摩擦力为0之类的情况，可这只是为了简化计算。就连柏拉图都想不到，真的会有人找到他提出的理型。

氦也是“本元素”的最佳范例——任何常态的化学手段都无法破坏它或是改变它。从公元前400年的希腊到公元1 800年的欧洲，科学家们花了2 200年时间，终于确认了元素到底是什么，因为大多数元素都太善变了。比如说碳，碳有数千种性质各异的化合物，要从这些化合物中发现碳的本质太困难了。举个例子，今天我们可以说二氧化碳不是一种元素，因为二氧化碳分子可以分解为碳和氧。但碳和氧是元素，因为你无法在不破坏它们的前提下将它们分成更小的单位。让我们回到《会饮篇》的话题，回到柏拉图关于迫切寻找丢失的另一半的理论，我们发现，几乎所有元素都会寻求与其他原子结合，这样的结合会掩盖元素的本性。甚至大多数“纯”元素在自然界中也是以多原子分子的形式存在的，例如空气中的氧分子（O ₂ ）。不过，自从科学家们了解了氦之后，他们了解其他元素的步伐很可能因此大大加快，因为氦从不与其他物质反应，只以“纯”元素的形式存在 ^[2] 。

氦表现出这样的性质是有原因的。所有原子都包含带负电荷的电子，电子分布在原子内部不同的层上，或者说能级上。能级是环环相套的同心圆，每一层都需要确定数量的电子来填充才能得到满足。最内层的电子数为2，其他层电子数通常为8。元素里通常含有等量带负电的电子和带正电的质子，这样元素就呈电中性。不过，电子可以在原子之间自由交换，当原子得到或失去电子时，就会形成带电的离子。

有一点不可不知，非常重要：原子会尽可能地用自身的电子填满最里面、能量最低的层级，然后抛弃、分享或是偷取电子，来确保最外层的电子数正确无误。有的元素会光明正大地分享或是交换电子，而有的元素手段龌龊。可以用一句话来形容化学的这一面：当原子最外层电子数不足时，它们会争斗、交易、乞求、结盟、毁约，不择手段地追求正确的电子数。

2号元素氦只有一个电子层，它所拥有的电子也正好填满这一层。这种“封闭”的结构赋予了氦极大的独立性，因为它不需要与其他原子发生交互、分享或偷窃电子，它自己就能满足自己。此外，在周期表的第18列，氦以下的所有元素都有这样的结构——气态的氖、氩、氪、氙和氡。所有这些元素都有封闭的外壳，最外层电子足额，所以通常条件下，它们不会与其他物质发生反应。因此，虽然鉴别、标定元素的热潮从19世纪就开始兴起——元素周期表正是在这个时期诞生的——但是直到1895年，还没有人分离出过第18列里的任何一种气体。这种超然于日常生活的态度犹如理想的球体与三角形，一定会深深迷住柏拉图。发现氦及其兄弟的科学家把它们叫作“高贵气体”，也正是为了呼应这样的感觉。或者用柏拉图式的语言来说，“那些追求完美不变的人，那些鄙视腐败卑劣的人，在所有元素中，他们会更爱高贵气体。因为它们永不变化，永不动摇，永不迎合那些像是集市上卖便宜货的庸众一般的元素。它们完美不朽”。

不过，高贵气体也很难找到清静。它们西边那列的邻居是周期表里最活跃的气体——卤素气体。再想象一下，如果把周期表像墨卡托地图一样卷起来，最西边的和最东边的碰到一起，第18列就会和第1列迎头相撞，最西面的第1列元素更加暴烈，它们是碱金属。和平的高贵气体就像一个非武装区，其周围的邻居可都不安分。

从某些方面而言，碱金属有普通金属的特性，不过它们在空气中或水中可不会生锈，也不会被侵蚀，而是自发燃烧。它们还和卤素气体建立了利益同盟，卤素气体外层有7个电子，少了1个；而碱金属最外层只有1个电子，次外层的电子满额，所以后者自然会把多的那个电子丢给前者，最后产生的正负离子之间形成强键。

这样的键合随时都在发生，所以电子是原子中最重要的部分。电子占据了原子内部几乎所有的空间，原子核是原子内部致密的核心，电子就是绕着它旋转的“云”。虽然组成原子核的质子和中子体积比单个电子大得多，但原子内部占据空间最多的仍是电子云。如果把原子放大成一个运动场，那富含质子的原子核就是50码线上的一个网球，电子则是绕着它闪动的针头——它们飞得很快，要是你想走进这个运动场，它们一秒能撞你好多次，让你根本进不去——就像一面坚硬的墙壁。因此，当原子相互接触时，埋在深处的原子核不起作用，相互影响的只有电子 ^[3] 。

不过还得提醒一下：也不要把电子完全想象成绕着固态核闪动的独立针头。或者用更常见的说法，不要把电子完全想象成绕着原子核太阳转圈的行星。把电子比喻成行星有助于理解，不过，和所有比喻一样，这样容易让你想偏，不少著名的科学家都犯过这样的错。

离子之间的键合解释了为什么会有卤素和碱金属的化合物，常见的如氯化钠（食盐）。与此相似，有2个多余电子那列的元素（如钙）与需要2个电子那列的元素（如氧）经常会键合起来，这样大家都能方便地各取所需。不直接对应的元素列之间的键合也遵循同样的原则。2个钠离子（Na ⁺ ）与1个氧离子（O ^2- ）键合形成氧化钠（Na ₂ O），氯化钙（CaCl ₂ ）的形成也基于同样的法则。总而言之，瞟一眼元素周期表，根据元素所在的列数，找出它们对应的电子数，你就能知道它们会如何键合。这种模式赋予了元素周期表赏心悦目的对称美。

不幸的是，元素周期表也有不这么整齐干净的部分。可是，那些看似乱七八糟的元素其实更有趣，更值得了解。

讲个老笑话，一天早上，一个实验助理闯进了科学家的办公室，虽然连续工作了一个通宵，他却非常兴奋。他举起一个用木塞塞住的瓶子，里面的绿色液体冒着气泡，咝咝作响，于是他大声宣布自己发现了一种万能溶剂。乐观的上司瞥了瓶子一眼，问道：“什么是万能溶剂？”助理忙说：“这种酸可以溶解一切物质！”

面对这个爆炸性新闻，科学家思考了一下——万能溶剂可不光是个科学奇迹，还能让他们俩都发大财——然后回答说：“那你是怎么用玻璃瓶把它装起来的？”

这个回答妙不可言，简直可以想象得出吉尔伯特·刘易斯 当时的笑容，表情说不定很讽刺。电子主宰着元素周期表，电子的性质、原子之间如何结合，这方面的研究工作刘易斯做得最多。他在电子方面的研究侧重于酸和碱，所以他大概能体会到这个说法的荒谬之处。就刘易斯个人而言，这句妙语说不定还会让他再次想起，科学界的荣耀是多么反复无常。

刘易斯在内布拉斯加州长大，一生到过不少地方。1900年左右，他在马萨诸塞州进入大学，并在这里完成了研究生学业，然后他来到德国，师从化学家瓦尔特·能斯特 。在能斯特手下的日子可不好过，至少台面上的原因是这个，因此几个月后，刘易斯又返回马萨诸塞州，接受了大学里的一个职位。不过这段经历也不愉快，后来他又溜到了美国刚刚拿下的菲律宾，为美国政府工作，随身带着的只有一本书——能斯特的《理论化学》，所以接下来的很多年里，他有好多时间可以对这本书寻根究底，写论文吹毛求疵 ^[4] 。

后来，刘易斯终于想家了，他回到美国本土，在加州大学伯克利分校扎下根来。在这里，他花了40多年时间，创建了世界一流的伯克利化学学院。听起来像是个美好的结局吧？可是故事还没完。关于刘易斯，有一件怪事儿：他大概是没拿过诺贝尔奖的科学家里面最棒的一位，而且他自己也知道这一点。他得到提名的次数比谁都多，可是他对这个奖项的渴求太过赤裸，而且他争强好辩，树敌太多，这让他失去了获得足够选票的机会。不久后，他在抗议声中辞去了（或者被迫辞去了）颇富声望的职位，痛苦地退隐幕后。

除去个人原因之外，刘易斯没能收获诺贝尔奖，还因为他的研究工作广度大于深度。他从来没有过什么惊天动地的大发现——那种你能为之惊呼的东西。与此相反，他毕生都在研究原子中的电子在不同环境中如何活动，尤其是在酸与碱的分子层面上。总的来说，原子交换电子来形成或破坏连接，化学家将这个过程称为“反应”。酸碱反应中的这种交换更是明显，有时甚至堪称剧烈，刘易斯与其他人在这方面的研究工作展示了在亚微观层面上，电子的交换到底意味着什么。

大约1890年之前，科学家们判断酸和碱的办法是靠舌头尝或是把手指伸到里面蘸一下，这种方法当然不够安全，也不够可靠。接下来的几十年中，科学家们意识到，酸在本质上是质子提供者。许多酸都含有氢，这种简单的元素由一个质子和一个绕着它转动的电子构成（每个氢原子都含有一个质子，这是它的原子核）。当酸（如盐酸，HCl）与水混合时，就会离解成正离子H ⁺ 和负离子Cl-。氢中的负电子被移除了，只剩下光秃秃的质子H ⁺ 独自沉浮。醋酸之类的弱酸在溶剂中只会释放出一小部分质子，而硫酸之类的强酸释放出的质子则如洪水般汹涌。

刘易斯认为，酸的这种定义过多地限制了科学家，因为某些物质不含氢，却同样表现出与酸相似的性质。所以刘易斯改变了这种模式，他不强调释放出来的H ⁺ 离子，而是强调带走了电子的Cl ^- 离子。如此一来，酸就不再是质子提供者，而是电子剥夺者。与此相对应，性质与酸相反的碱，如漂白剂和碱液，则可以称为电子提供者。这样的定义更具普适性，而且强调了电子的行为，更适合以电子为中心的元素周期表。

虽然刘易斯早在20世纪二三十年代就提出了这种理论，但迄今科学家们还在利用这一理念，尽力尝试酸能够达到的强度极限。酸的强度用pH值来衡量，pH值越低的酸越强。2005年，一位来自新西兰的化学家发明了一种含硼的酸，叫作碳硼烷酸，pH值为-18。说得直观一点儿，水的pH值是7，我们胃里的浓盐酸pH值是1，但根据pH值系统独特的计算方法，pH值每降低1（比如从4降到3），酸的强度提高10倍。那么，从胃酸的pH值1到碳硼烷酸的pH值-18，意味着后者的强度是前者的10 ¹⁹ 倍。这个数是什么意思呢？如果把10 ¹⁹ 个原子放到一起，大概可以从地球一直堆到月球。

还有更强的酸，它是以锑为基础的，锑大概是元素周期表上历史最丰富多彩 ^[5] 的元素了。尼布甲尼撒二世，就是公元前6世纪建造了巴比伦空中花园的那位国王，他曾使用一种有毒的锑铅混合物把自己宫殿的墙壁漆成黄色。也许并非巧合，不久后他就疯了，在野地里露天而卧，还像牛一样啃草吃。大约同一时期，埃及的妇女也把另一种含有锑的物质当成睫毛膏用，这东西不仅是化妆品，还能赋予她们巫术的力量，对敌人施放“邪眼” 。后来，中世纪的僧侣——我是不会告诉你还有艾萨克·牛顿的——迷上了锑的性别特质，他们认为这种半金属半绝缘、二者皆非的物质是雌雄同体的。锑片也是著名的泻药，和现在的药片不同，当时的硬锑片不会在肠道中溶解，而且它很昂贵，人们甚至会从排泄物中把锑片扒拉出来，好回收再利用。有的家族比较走运，他们的锑片甚至成了父子相传的宝贝。也许正是出于这一原因，锑成了一种重要的药物，尽管它实际上是有毒的。莫扎特的死因可能就是在发高烧时服用了过多的锑。

最终，科学家们对锑有了较深的把握。20世纪70年代，他们认识到，锑能够将渴求电子的元素聚集在一起，所以它是制酸的理想材料。根据这一理论，最终得出了像超流体氦一样震惊世界的成果。将五氟化锑（SbF ₅ ）和氢氟酸（HF）混合起来，科学家们制出了一种pH值为-31的物质。这种超强酸比胃酸强10 ³² 倍，它能够腐蚀玻璃，就像水浸透纸张一样轻而易举。你不可能把它装在瓶子里带走，因为它会溶解瓶壁，然后把你的手也溶解掉。那么，回答一下笑话里教授提出的问题，这种超强酸需要用内衬特氟龙的特制容器盛放。

不过，实话实说，把这种含锑混合物称为世界上最强的酸，其实是在撒谎。分开来看，SbF ₅ （电子剥夺者）和HF（质子提供者）自己的手段就够龌龊了。要得到前面讲的超强酸，你必须在它们的酸性变得过强之前把二者混合起来，让它们互补的力量融合到一起，所以说，只有在特定条件下，二者形成的混合物才能达到最强的酸度。事实上，最强的单组分酸仍是碳硼烷酸［H（CHB ₁₁ Cl ₁₁ ）］。而且，这种含硼的酸还有一个奇妙的特质：它既是世界上最强的酸，又是最温和的酸。要想明白其中的原因，首先你得记住，酸会离解成分别带正负电荷的粒子。碳硼烷酸离解时，会生成H ⁺ 和 （它的结构像是个精密的笼子）。大多数酸中带负电荷的那部分腐蚀性都很强，足以烧伤皮肤，不过我们这个硼笼子形成的结构是有史以来最稳定的分子之一。在这个结构内，硼原子慷慨地贡献出了自己的电子，其性质变得和氦差不多，它不会像其他酸一样屠杀似的从别的原子那儿抢夺电子。

那么，碳硼烷酸既不会腐蚀玻璃瓶，又不能拿来烧穿银行金库，那它到底有什么用处？它可以用来提高汽油中的辛烷含量，也能用于生产易消化的维生素，更重要的是，它能用作化学“摇篮”。许多与质子有关的化学反应并不是干净利落的交换，而是需要许多步骤，可是质子穿梭常常只需要兆亿分之一秒——这实在是太快了，科学家根本没法搞清楚到底发生了什么。碳硼烷酸大显身手的时刻到了，它非常稳定，不易与其他物质反应，所以它能够为反应提供大量质子，然后把分子冻结在关键的节点上，碳硼烷酸为反应中间产物提供了一个柔软又安全的枕头。与此相对，要是用超强锑酸来做摇篮，后果就很糟糕了，它会把科学家最想观察的分子撕得粉碎。如果刘易斯能够看到以他的理论为基础的关于电子和酸的研究工作，一定会感到高兴，也许这些能够照亮他黑暗的晚年生活。虽然刘易斯在第一次世界大战期间曾为政府服务，也曾在化学界做出卓越贡献，辛勤工作直到60多岁，可是在第二次世界大战期间，他仍未被列入曼哈顿计划的名单。这件事让他深受打击，因为许多他亲手招募进伯克利的化学家都名列其中，他们在世界上第一颗原子弹的研制中扮演了重要的角色，成了这个国家的英雄。而刘易斯自己在整个大战期间却无所事事，只写了一本回忆录式的军旅生涯地摊小说。1946年，刘易斯在自己的实验室里孤独地去世了。

对于他的死因，外界普遍认为是心脏病，因为40多年来，他每天都要抽20支左右的雪茄。不过有一点很难忽视：他去世的那天下午，实验室里满溢着苦杏仁味——这是氰化物的标志。刘易斯在研究工作中的确用到了氰化物，可能当时他突发心脏病，打碎了某个氰化物容器。还有一点，当天早些时候，刘易斯和另一位有竞争关系的化学家共进了午餐。这位化学家比他年轻，比他更富人格魅力，得过诺贝尔奖，还是曼哈顿计划的特别顾问。刘易斯最初曾拒绝出席这次午餐。一些人私下里一直在揣测，可能是这位尊贵的同事刺激了刘易斯的神经，如果真是这样的话，他的化学设备可能就太过方便了一点儿，而且他也太倒霉了一点儿……

元素周期表“西岸”是活跃的金属，“东岸”卤素和高贵气体参差矗立，而中间则是宽广的“大平原”——从第3列到第12列的过渡金属。实际上，过渡金属的性子差异很大，所以很难笼统地来形容它们——不过对待它们，你都得多加小心。过渡金属原子比较重，它们储存电子的方式比其他原子更灵活。和其他原子一样，过渡金属原子内部也有不同的能级（称为第一能级，第二能级，第三能级……以此类推），低能量的层级在内，高能量的在外；它们也会与其他原子争抢电子，使最外层电子数达到8个。不过，要分清哪一层算是过渡金属原子的最外层，可就没那么容易了。

我们从水平方向观察元素周期表，其中的每一种元素都比左边的邻居多一个电子。11号元素钠通常有11个电子，12号元素镁则有12个电子，以此类推。随着元素的体积增大，它们不光会把电子填到能级里，还会为这些电子提供形状各异的“铺位”——称为层。可是原子古板又保守，只会按照周期表的顺序依次填满层和能级。最左边的元素把第一个电子放在球形的s层里。这一层很小，只能容纳2个电子——这就是为什么周期表左边有两列比别的要高。有了最开始的2个电子后，原子就得找个宽敞点儿的地方了。跳过中间的空白，右边的元素开始把新的电子一个个放进p层，这一层的形状像是畸形的肺。p层能容纳6个电子，因此周期表右边的6列高出了一截。注意一下周期表最上面的几行，2个s层电子加上6个p层电子，一共8个电子，正好是大多数原子在最外层想要的电子数。除了自给自足的高贵气体外，所有元素的外层电子都可以被抛弃或是与其他原子反应。这些元素的行为遵循同一逻辑准则：增加一个新电子，原子的行为就会发生变化，因为它可以用来参与反应的电子数增加了。

下面我们进入很容易产生挫败感的部分。从第3列到第12列，从第4行到第7行，这些过渡金属开始往d层填充电子了，d层可以容纳10个电子。（d层看起来非常像是变了形的动物气球。）基于之前所有元素的行为准则，你一定想着过渡金属会把多出来的d层电子放在比较靠外的地方，方便拿来和其他原子发生反应。可是你错了，实际上过渡金属会把多余的电子藏起来，藏到其他电子层的下面。它们这样违背惯例，把d层电子埋到下面，看起来既别扭又不直观——柏拉图可不会喜欢。可是这也是自然规律的一部分，我们无能为力。

要理解这个过程，必须动点儿脑筋。我们横着看一看周期表，对于周期表里的其他元素来说，电子每增加一个，它的行为就会发生变化，按照这一规则，过渡金属也应如此。但是由于这些金属会把d层电子藏到“夹层”里，所以这些电子不太容易跑掉。如果其他原子与过渡金属发生反应，它们不会获得这些电子，这样造成的结果就是，同一行的多种金属暴露在外的电子数量相同，因此它们的化学性质也相似。从科学的角度来说，这就是为什么许多金属看起来如此相似，性质也几乎相同。它们看起来都是冷冰冰的灰色金属块，因为外层电子让它们别无选择，只得如此。（当然，有时候藏起来的电子会捣点儿乱，它们会跑到外层，参与反应，这会带来某些金属之间微小的性质差异，这也是为什么这些金属的化学性质这么让人着急上火。）

f层元素也是这么乱七八糟的。在元素周期表下方有单独的两行，f层从其中的第一行就开始出现了，这一行被称为镧系元素。（镧系元素又被称作稀土元素，它们的原子序数从57到71，按照周期表里的排序实际上应该处于第6行，把它们单独列到底部，是为了让整张表格看起来简练一些。）镧系元素把新电子埋得比过渡金属还深，经常藏在两个能级下面。这意味着它们比过渡金属更为相似，彼此之间几乎无法区分。这一行从左到右的旅程，就像开车从内布拉斯加州去往南达科他州，你几乎意识不到自己已经跨越了州际线。

自然界中不存在纯净的镧系元素，因为它们总是伴生在一起。有个著名的例子，新汉普郡有一位化学家试图提纯69号元素铥，开始的时候，他的原料是富含铥的矿石，呈巨大的碟状，他用化学药品反复处理矿石，并将它煮沸，这种方法每次都能将铥的纯度提高一点点。溶解过程很费时间，所以开始的时候，一天他只能提纯一两轮。不过，他仍坚持把这个无聊的工序亲手重复了15 000次，数百千克重的矿石最后被提炼得只剩下几百克，得到的纯度终于让他满意了。可是就算到了这一步，剩下的铥里仍有其他镧系元素，而且它们的电子埋藏得太深了，化学方法根本无法逮住这些电子，把它们抓出来。

电子的行为决定着元素周期表。但是要真正理解这些元素，你不能忽略占据了它们99%以上的质量的东西——原子核。电子行为准则的制定者是那位从未拿过诺贝尔奖的最伟大的科学家，而原子核的统治者可能是史上最艰难的诺贝尔奖获得者，她的职业生涯比刘易斯更加漂泊无定。

1906年，玛丽亚·格佩特在德国出生了。尽管她的父亲是家族中的第六代教授，可她仍很难说服学校让一个女人攻读博士学位，所以，她从一所学校辗转到另一所学校，尽可能地多听课。最后，玛丽亚终于在汉诺威大学那些从未谋面的教授面前完成了答辩，拿到了博士学位。毫无意外地，她毕业后没人给她写推荐信，也没人帮她联系，所以没有哪所大学肯为她提供职位，她只能“曲线救国”。玛丽亚的丈夫约瑟夫·梅耶是一位化学教授，他是美国人，在德国游学。1930年，玛丽亚随丈夫一起回到美国巴尔的摩，她有了个新的姓氏：格佩特-梅耶。在美国，她跟着丈夫一起工作，一起参加学术会议。不幸的是，大萧条期间，约瑟夫数次失业，两个人先是去了纽约的大学任教，后来又去了芝加哥。

大多数学校都容忍了格佩特-梅耶四处出没，大谈科学，有的学校甚至慷慨地赐给她一份工作，虽然他们拒绝付给她薪水，分配给她的也都是些所谓有“女性气质”的课题，比如说研究颜色是怎么来的。大萧条结束后，数百个像她一样富有才华的科学家齐聚曼哈顿项目，那也许是有史以来各种科学思想最为激烈的一场碰撞。格佩特-梅耶也收到了一份邀请，不过是来自一个没什么用的外围偏门项目，研究如何用闪光灯分离铀。毫无疑问，格佩特-梅耶十分恼火，但是对科学的渴求让她在如此糟糕的大环境下仍坚持研究工作。“二战”结束后，芝加哥大学终于给了她足够的重视，聘请她做了物理教授。虽然格佩特-梅耶终于有了自己的办公室，可是学院还是不付给她薪水。

尽管如此，这个职位还是给了她一定的支持，1948年，格佩特-梅耶开始研究原子核——这是原子的核心和精华。原子核中带正电的质子数量——原子序数——决定了原子的性质。换句话说，原子既不会得到质子，也不会失去质子，除非它变成另一种元素。通常情况下，原子也不会失去中子，但是同一种元素的原子可能会有不同的中子数——称作同位素。比如说，同位素铅-204与铅-206的原子序数都是82，但是它们的中子数不同，前者是122，后者是124。原子序数加上中子数就是原子量。科学家们花了多年时间来研究原子序数和原子量之间的关系，一旦弄清楚了这一点，元素周期表看起来就清晰多了。

当然，这些格佩特-梅耶都知道，不过她的研究工作涉及另一个更难把握的未解之谜，一个看似简单的问题。宇宙中最简单的元素是氢，它同时也是宇宙中含量最高的元素；第二简单的元素氦含量第二。那么，如果宇宙井井有条，简洁优美，3号元素锂就应该是含量第三的元素，以此类推。可惜我们的宇宙没这么简单，含量第三的实际上是8号元素氧。可是，这是为什么呢？科学家也许会回答说，因为氧的原子核非常稳定，不会裂解，或者换个词儿，不会“衰变”。不过这只会让我们回到问题的起点——为什么某些元素（比如说氧）的原子核就特别稳定呢？

和同时代的其他人不同，格佩特-梅耶看出了这种不可思议的稳定性和高贵气体有某种相似之处。她提出，原子核里的质子和中子也是分层排列的，就像电子一样，因此，填充原子核内的层会带来稳定性。对于门外汉来说，这个说法很有道理，类比十分恰当。不过诺贝尔奖可不会褒奖凭空冒出来的猜想，尤其是一位不领工资的女教授的猜想。而且，这个想法激怒了核物理学家，因为化学过程和核物理过程是相互独立的。质子和中子稳重可靠，常年闭门不出，而小小的电子水性杨花，经常为了迷人的邻居离家出走，这二者有什么理由会做出相似的事情？而且在大多数情况下，它们的行为方式的确大有差别。

不过格佩特-梅耶仍坚持自己的直觉，她把一些看似无关的实验联系起来，证明了原子核的确分层，的确会形成她称为“幻核”的结构。出于复杂的数学原因，幻核不是像元素性质那样周期性有规律地出现，它出现的原子序数依次为2，8，20，28，50，82……格佩特-梅耶的工作证明了在这些原子序数下，质子和中子如何整齐地排列成稳定对称的球形。请注意，氧有8个质子和8个中子，因此它是双幻核结构，非常稳定——所以它在宇宙中的含量才如此丰富。这个模型一下子就解释了钙（原子序数20）这样的元素为何丰富得和它的序号不成比例，接下来也顺理成章地解释了为什么我们的身体也主要由这些易于获得的元素构成。

格佩特-梅耶的理论和柏拉图的构想遥相呼应，证明了漂亮的形状更为完美。她的球形幻核成了理想模型，在此之前，人们认为所有原子核都是球形的。实际上，介于两个幻数之间的元素较不稳定，因为它们的原子核是丑陋的矩形或椭圆形。科学家们甚至还发现，中子非常富余的67号元素钬的原子核像是个变形的橄榄球。根据格佩特-梅耶的理论（或者根据你看过的别人在橄榄球赛中跌跌撞撞的样子），你也许能猜到，橄榄球状的钬原子核不是很稳定。电子数不够的时候，原子可以从其他地方搞到电子来保持平衡，可是原子核不稳定时，它们可没法弄到质子和中子。因此，钬之类原子核奇形怪状的原子很难成型，就算成型了也会立刻崩裂。

原子核壳层模型是一个天才的发现，因此当格佩特-梅耶发现祖国的男物理学家也曾提出过相似的理论时，她感到非常沮丧，考虑到她在科学界的低微地位，这样的情绪很容易理解，她面临着声名扫地的危险。不过，双方的研究工作相互独立，德国方面很有风度地承认了她的贡献并邀请她合作，格佩特-梅耶的职业生涯迎来了辉煌的转折点。她赢得了应得的荣誉。1959年，格佩特-梅耶和丈夫一起搬到了圣迭戈，这是他们最后一次搬迁。在圣迭戈，她终于进入了新成立的加州大学分校，得到了一份有报酬的工作。不过，别人还是只当她是个业余的科学爱好者。1963年，瑞典皇家科学院授予了她职业生涯的最高荣誉，当时圣迭戈的报纸头条标题是：《圣迭戈一位母亲荣获诺贝尔奖》。

不过这个问题也许只取决于你如何看待。要是这个奖给了吉尔伯特·刘易斯，那么就算报纸上登出这么有侮辱性的标题，大概也丝毫不会影响他兴奋的心情。

细细审读元素周期表的每一行，你会发现许多元素的秘密，不过这只是我们故事的一部分，甚至还不是最精彩的部分。同一列中的元素实际上比同一行的那些元素更为亲密。在大多数人类语言中，我们都习惯于从左到右（或者从右到左）地进行阅读，不过在阅读元素周期表时，我们应该像阅读某些日语读物一样，从上到下，一列一列地读，这样收获更大。从上至下地阅读元素周期表会让你发现元素之间许多隐藏的关系，包括你不曾想到过的竞争与对抗。周期表有自己独特的语法，它的行行列列会带来崭新的故事。 iZn8bv/FDmy4Eh7rYyzvUE+3Fqw8wifYSA426VA1+U4ySpaIX9wbJZupwexvyB9l