2.1.1 元素周期率
电子被人类捕捉到以后，你也许会问，这个小东西是从哪里来的呢？是我们地球上独有的，还是来自浩翰的宇宙？被你猜到了，它的确来自于宇宙。
现在许多观测和实验基本证实宇宙起源于一种大爆炸。这不是我们可以想象得出规模的大爆炸，因为已经燃烧了几十亿年的太阳，也只不过是它爆炸后的一个很小的团块中的一个恒星而已。大家一定可以猜测到，这个团块就是太阳系。不要说太阳系，就是银河系，也只是宇宙的一个很小的部分。我们已经可以测知，太阳系在银河系中也是很小的一个星系。
但是，说起来令人难以置信，这么超巨大爆炸最初产生的无限大量的微粒却又是那么小，小到用肉眼根本就看不到，用电子显微镜也看不到，几乎可以说是“无”（我国古代哲学家老子说的“无中生有”，应该说的就是这种“无”，其实是包含着“有”）。现在我们知道这是一种微观现象，是百分之百真实存在的最基本的物质。它们在达到一定量以后，才会以聚集状态表现为某种形式的物质，如气体、液体或固体。
为方便大家更好地了解后面将要讲到的探索原子结构的故事，我们不妨先讲一讲元素的故事。
元素是中学化学课程一定要讲的概念。元素是具有相同核电荷数（质子数）的同一类原子的总称。每一种元素的发现都有至少一个独特的故事。但是发现元素的故事，就不一定是教科书中能包含的内容。如果我们想要了解元素发现的概要，仍然是有办法的，这就是从“元素周期律”入手。
说起元素周期律，就不能不说到俄罗斯科学家、伟大的化学教师门捷列夫。
门捷列夫出生于1834年，他出生不久，父亲就因双目失明外出就医，失去了得以维持家人生活的教员职位。门捷列夫14岁那年，父亲逝世，接着火灾又吞没了他家中的所有财产。1850年，家境困顿的门捷列夫借着微薄的助学金开始了他的大学生活，后来成为彼得堡大学的教授。幸运的是门捷列夫生活在化学界探索元素规律的活跃时期。当时，各国化学家都在探索已知的几十种元素的内在联系规律。1865年，英国化学家纽兰兹把当时已知的元素按原子量大小的顺序进行排列，发现无论从哪一个元素算起，每到第八个元素就和第一个元素的性质相近。这很像音乐上的八度音循环。因此，他干脆把元素的这种周期性叫做“八音律”，并据此画出了标示元素关系的“八音律”表。显然，纽兰兹已经非常接近“真理女神”，差点就要揭示出元素周期律了。不过，当时的条件使他不可能做进一步的探索，因为当时原子量的测定值不是很准确，有些还有错误，更重要的是他也没有考虑到还有尚未发现的元素，只是将当时已经发现的元素按原子量大小排列起来，所以他未能揭示出元素之间的内在规律。可见，任何科学真理的发现，都不会是一帆风顺的。直到1869年，门捷列夫将当时已知的63种元素的主要性质和原子量，写在一张张小卡片上，进行反复排列比较，才发现了元素周期规律，并依此制定了元素周期表。当然，这只是元素周期表的雏形。在周期表中，元素是以元素的原子序排列，最小的排在最前面。表中一行称为一个周期，一列称为一个族。利用周期表，门捷列夫成功地预测了当时尚未发现的元素的特性，也就是随后被依次发现的镓、钪、锗。这些被发现的元素的性质与门捷列夫当时预测的性质非常接近，从而证实了元素周期率的科学性。
1913年，英国科学家莫色勒利用阴极射线撞击金属产生X射线，发现原子序越大，X射线的频率就越高。他认为核的正电荷决定了元素的化学性质，并把元素依照核内正电荷（即质子数或原子序）排列，经过多年修订后才成为当代的周期表。在周期表中，元素是以元素的原子序排列，最小的排在最前面。并且揭示出周期实质上是指元素周期表上每一横列元素最外层电子从1～8的一个周期循环；而同一族是指某一竖列元素因最外层电子数相同而表现出相似的化学性质，主族元素是指最外层电子没有排满的，但是副族有能级的跃迁，次外层电子也没排满。这张表揭示了物质世界的秘密，把一些看起来似乎互不相关的元素统一起来，组成了一个完整的自然体系。
2.1.2 仍然是电子在起作用
那么元素为什么会有这种周期性呢？人们通过多年的努力探索，终于发现，原来仍然是电子在起作用。
构成不同元素的原子是不同的，它们的不同主要是原子核外电子数目的不同。周期表中每个元素的序号就是这个元素核外电子的数目。例如，氢是1号元素，它的核外就只有一个电子。氧的序号是8，则氧原子核外的电子就有8个，和氧同一族的硫，序号是16，它的原子核外的电子就有16个，以此类推，所有元素在周期表中的序号就是它核外电子的数目。更有规律的是，所有同族元素的最外层电子数是完全相同的，如氢所在的第一列同族元素，从氢到锂、钠、钾、铷、铯、钫，最外层都只有一个电子。它们的化学性质也有相似的地方，在所有的化学反应中都表现为+1化合价，也就是很容易失去最外层的1个电子而失去电中性，又因为失去的是一个电子，所以表现为+1价。第二族元素从铍开始，整列元素的最外层电子都是2个，其化合价都是+2.第三列主族元素是从硼开始的，它们的最外层电子都是3个，化学反应中的最高化合价是+3.简单地说，元素周期表中表头上各族的族号（通常以罗马数字表示），就是这族元素最外层的电子数。
更有趣的是，元素周期表的周期数就是原子核外电子的层数。第一周期，因为只有氢和氦，称为超短周期，它们只有一层电子。第二和第三周期都有8个元素，是短周期，它们分别在核外有两层和三层电子。而从第四周期开始到第七周期，都是长周期，都有18个以上的元素，分别有四层、五层、六层和七层电子。电子层越多，原子半径越大，原子核对最外层电子的约束力就相对越弱，在这种情况下，除了最外层电子，次外层电子也可能在化学反应中失去，从而出现多种化合价。这就是为什么有些元素会有多个化合价的原因。
元素的周期性规律完全是与核外电子的数目和排列方式相对应的，原子序号、族数、周期数都与电子数、电子层数和最外层电子数有关，电子的数量变化决定了元素性质的变化，量变与质变的关系，在这里有了最为充分的体现。
元素为什么会呈现出这种核外电子数量的不同呢？这就需要回到宇宙大爆炸的时代来探寻原因。我们前面已经简要地说到宇宙大爆炸产生了大量的最小碎片，最小的就是我们已经认识的电子。它们从大爆炸中获得的能量使它们都在高速旋转，并且由于相互碰撞而产生不同方向的自旋。这种不同方向应是不同电性的起源。当然，大爆炸产生的不完全是一样大小的碎片，其中也有大一些的微粒，它们的质量和体积稍大一些，在旋转和碰撞中会对最小的微粒电子有吸引和俘获作用。这种俘获从几率上看，最容易发生的是俘获一个电子。事实正是如此。因此，在大爆炸后最先和最大量产生的元素，就是一个原子核和一个电子组成的氢。氢元素在宇宙中的丰度达到70%，在地球的元素丰度中，氢则排在氧和硅之后，居于第三位。随着时间的延续，重微粒俘获电子的几率也相应增加，依次出现核外两个电子的氦和三个电子的锂、四个电子的碳、五个电子的氮、六个电子的氧等，直到更多电子的金属、重金属等。核外电子越多的元素，形成该类物质的几率就越低，在自然中的数量也就越少。
时间的延续不只是完成一百多个元素的生成，而是使这些元素继续发挥作用，实现从简单到复杂的自组装过程，由原子组成分子，由分子构成物质，由无机物构成有机物，由有机物构成生命，由低级生命构成高级生命，直到人类的出现。这一组装过程现在仍然没有完结。自然界仍在执行它的自组装过程，并不会因为出现了人类而停止下来。只是这个过程与人类的时间频度不同，通常以万年或更长的时间为单位，人类难以察觉。当然，这种自组装过程在出现人类以后，由人类代表的这个分枝的过程也许会更快一些，也许会改变自然的某些进程。但是，人类既是宇宙自组装过程的产物，其实也是在执行这一过程中的某种使命，这使得我们作为人类的一员，更应具有使命感，继续探索，完成一个又一个看似奇迹、实际上是宇宙自组装过程的使命，就像永不停息的电子，在整个宇宙的发生和发展中，始终在发挥着独特的作用。
2.1.3 元素的故事
现在已经发现在地球上有118种元素。我们说在地球上而不说在宇宙中，是因为我们不能武断地将还不知道或不了解的宇宙其他地方可能存在的物质组装或结构模式都判定为与地球上发现的完全一样。当然，现在至少可以肯定的是地球上有的这些元素，在宇宙中其他地方也同样会有。例如，氢是宇宙中大量存在的元素之一，正进行热核反应，就是在不停地进行氢核爆炸。从陨落到地球的陨石中含有大量的铁，可知铁元素在太空中也大量存在，是构筑星球的重要成分之一。我们尚未能探测到的宇宙深处，很难说那里还有没有其他超重元素。
当然，人们对地球上的元素，已经有把握说得很清楚了。每一个元素的发现都有一个动人的故事。要讲这些故事是另一本书的任务，我们在这里要讲的是关于元素总体概念的故事。
人类早期关于万物组成的本原的认识是从大自然中直观获得的，这就是所谓的金、木、水、火、土五行说。虽然很早就有哲学家提出了原子的概念，也多半是一种猜测，并没有实验上的证据。随着电子的发现和原子构成的发现。人们才开始接触到物质的本质。而组成物质的基本单元元素概念的提出，则是法国著名的化学家拉瓦锡的功劳。
拉瓦锡，1743年8月26日出生于巴黎一个富裕的律师家庭。5岁那年，他母亲因病去世，从此他在姨母照料下生活。11岁时，他进入当时巴黎的名牌学校——马沙兰学校。以后升入政法大学，21岁毕业而取得律师资格。他的家庭打算让他继承父业成为一个职业律师，然而，在大学里，他就对自然科学产生了浓厚的兴趣，主动拜一些著名学者为师，学习数学、天文学、植物学、地质矿物学和化学。从20岁开始，他坚持每天做气象观测，假期还跟随地质学家格塔尔到各地进行地质考察旅行。他最初发表的关于石膏组成和凝固的论文就是在地质调查之中写成的。1765年，法国科学院以重奖征集一种使路灯既明亮又经济的设计方案，22岁的拉瓦锡勇敢地参加了竞赛。他的设计虽然未获奖金，但被评为优秀方案，荣获国王颁发的金质奖章。这项活动给崭露头角的拉瓦锡以很大的鼓舞，使他以更大的热情和兴趣投入到科学研究的事业中去。同时，他的科研才华也开始引起了科学界的注目。由于拉瓦锡所取得的一系列科研成果，1768年，他被任命为法国皇家科学院的副会员，1778年成为有表决权的18名正式会员之一。1785年，他担任了科学院的秘书长，实际上成为科学院的负责人。
这个时候，流传数千年的四元素说仍然占据着对物质构成认识的主导地位。亚里士多德的“四元素说”中就有水土互变的说法。1648年，比利时化学家海尔蒙特曾以柳树的实验来证实这种说法。他将一棵重2.5千克的柳树苗栽入预先经烘干称重的土盆中，只用纯水来浇灌。5年后，柳树长成大树，质量增加了80千克。泥土经烘干称重，质量只减少了100克。于是，他认为柳树长大所增加的质量只能来源于水，水能转变为土，并为树所吸收。
同时，人们也时常发现在容器中煮沸水，时间长了总会有沉淀物生成。这就是水垢。这一物理现象也被当时的人们当作水可以变成土的证据。拉瓦锡对这一观点表示怀疑，为此他也构思了一个实验来进行验证。
他使用一种欧洲炼金术中用过的很特别的蒸馏器。这种蒸馏器能使蒸馏物被反复蒸馏。他将蒸馏器称重，然后加入一定质量的经3次蒸馏后的蒸馏水。密封后点火加热，保持微热，同时进行观察。两周过去了，水还是清的。第三周末开始出现很小一点固体，随后慢慢变大，第八周固体因积聚而沉淀下来。就这样连续加热了101天，蒸馏器中的确产生了固体沉淀物。冷却后，他首先称了总质量，发现总质量与加热前相比没有变化。他又分别对水、沉淀物、蒸馏器进行称量，结果是水的质量未变，沉淀物的质量恰好等于蒸馏器所减少的质量。据此，拉瓦锡撰写论文驳斥了水转化为土的谬说。瑞典化学家舍勒也对这沉淀物进行分析，证明它的确来自玻璃蒸馏器本身。
长期以来，水也被看作一种元素。在氧元素被确认后的1781年，英国化学家卡文迪许在氢气与普通空气或氧气的混合气中通电、发生火花时，会有水珠生成，这一实验证明水是一种化合物。但是，由于卡文迪许仍信仰燃素说，所以对这一实验结果不能做出清晰的解释。卡文迪许的助手布拉格登于1783年6月访问巴黎时，将这一实验告诉了拉瓦锡。拉瓦锡立即进行了跟踪实验，不仅合成了水，同时还将水分解为氧气和氢气，再次确认了水的组成，并且用氧化理论给予了准确的说明。
运用氧化理论，拉瓦锡弄清了碳酸气就是碳与氧元素的化合物。他又根据酒精等有机化合物在燃烧中大都生成碳酸气和水的事实，建立了有机化合物的分析法，将有机物在一定体积的空气和氧气中燃烧，用苛性碱溶液来吸收其产生的碳酸气，再从残留物中计算出生成的水量，由此确定有机化合物中所含的碳、氢、氧三种元素的比例。
拉瓦锡的氧化学说是对燃素说的否定，他关于水的组成、空气的组成等一系列实验成果是对亚里士多德四元素说的批判。为与新的理论相适应，1785年，拉瓦锡和他的同行戴莫维、贝托雷、佛克罗伊合作编写了《化学命名法》。这本专著强调指出每种物质必须有一固定名称，单质命名尽可能表达出它的特性，化合物的命名尽可能反映出它的组成，据此，他们建议对过去被称为金属灰的物质应依据它的组成命名为金属氧化物；酸、碱物质使用它们所含的元素来命名；盐类则用构成它们的酸和碱来命名。这样一来，汞灰应称为氧化汞，矾油应称为硫酸等等，由此而奠定了现代化学术语命名的基础，当今所用的化学术语的大部分都是依据这一命名法命名的。
拉瓦锡的化学研究有一个重要的特点，他总是有意识地把质量不变的规律作为他思维推理的前提。这种质量守恒的思想在他1789年出版的《化学纲要》中，做了清楚的阐述。这是他对近代化学发展的又一突出贡献。在《化学纲要》这部名著中，拉瓦锡总结了他化学研究的实践经验，发展了波义耳提出的元素概念，提出元素是化学分析到达的终点，即在当时用任何化学手段都不能分解的物质可称为元素。据此他还列出了一张包括33种元素的分类表。现在看来，这张表虽然存在一些错误，但是世界公认这是第一张真正的化学元素表。
1789年，法国大革命爆发。拉瓦锡由于曾经担任过包税官而自首入狱，被诬陷与法国的敌人有来往，犯有叛国罪，于1794年5月8日，被用砍头机处以死刑。著名的法籍意大利数学家拉格朗日痛心地说：“他们可以一瞬间把他的头割下，而他那样的头脑一百年也许长不出一个来。”