【探索21-1】元素的週期：一頁科學傳承的詩篇
講師｜臺灣大學化學系名譽教授 陳竹亭
彙整撰文｜趙揚光
「科學革新需要科學家的創作與洞見，科學進化需要科學社群的合作與傳承。」本期講座顧問、同時也擔當首講重責的陳竹亭教授，做了這樣的序言。除紀念門得列夫元素週期表問世150週年，並藉由過去化學的發展，來回顧化學的革新和進化。
●窺探元素的真實面貌
如果我們回溯過去，會發現古希臘人想知道，世界是由多少個元素所組成？組成世界的物質是否有最小的單位？早在西元前5世紀左右，就有人在思考這個問題。舉凡亞里斯多德提出包括「土、水、氣、火」的四元素論，或是對科學理論的闡述模糊不清的鍊金術，都沒有提出具體而正確的概念。
17世紀，英國的學者波以耳(Robert Boyle)認為元素是物質不可再分解的部分，甚至堅信元素具有粒子性質，這樣的論述於今日來看已有一定的正確性，但波以耳在當時未能說明如何證明物質是元素，他也無法跳脫鍊金術的窠臼，直到拉瓦節(Antoine-Laurent Lavoisier)的出現，才真正為近代化學開創康莊大道。
崇拜牛頓為科學革命集其大成的拉瓦節，出身於法國律師家庭，具有律師資格，並曾進入稅務公司任職，然而在他心中更熱衷研究化學。要求數字的縝密計算及面對法律的從嚴態度，影響了拉瓦節的化學研究，他用嚴謹且重視定量數據的精密實驗，提出了化學反應質量守恆定律；他並透過燃燒實驗主張燃燒現象乃是物質與氧反應的解釋，推翻了延續百年的燃素說，並且釐清「元素」與「化合物」的概念。拉瓦節在1790年出版了《化學基本原理》一書，推動了化學革命，提出系統性的化學命名法，開近代化學之先河。也由於如此卓著的科學貢獻，拉瓦節因而被譽為「現代化學之父」。
●雨後春筍的實驗發現
19世紀初，來自英國的戴維(Humphry Davy)成為第一位用電解法分離出元素的化學家，他於1807年分離出鉀(K)和鈉(Na)，接著他以相同方法發現更多元素。戴維還發明了礦工安全燈，使無數礦工免於工作時的生命威脅；此外，他也是一位極受歡迎的科普傳播者，常在一般大眾前演示實驗。科學的力量賦予戴維無數的創造力，陳教授說：「…使他能夠改變他周遭的環境和生命，藉著他手中操作的實驗就有力量探究自然。」這是化學乃至科學得以進化的重要因素。
眾多化學家前仆後繼的研究與發現，使得近代化學的基礎日趨穩固！被稱為「原子之父」的英國科學家道耳頓(John Dalton)，基於拉瓦節的元素概念提出了「原子論」，加上給呂薩克(Joseph L. Gay-Lussac)的氣體反應體積定律，促使亞佛加厥(Amedeo Avogadro)提出「分子」的概念。義大利化學家坎尼乍若(Stanislao Cannizzaro)在1860年的一個國際化學會議裡進行一場演講，進一步主張將氫、氮、氧皆視為雙原子分子，確定了其原子量，啟發了當時在座的俄國年輕化學家門得列夫(Dmitri Ivanovich Mendeleev)，為下一個開創性的化學里程碑開啟了門扉。
●化學革新的絕佳導航
門得列夫最顯著的成就，便是於1869年發表世界上第一個「元素週期表」，引領了化學家們從森林中找到一處美麗的花園。這份元素週期表問世時，僅列出當時已被發現的63個元素，門得列夫依照它們的原子量大小及元素性質的週期性，工整有序地排列；他並從週期表的排列狀況中，推算及預測出一些還未知的元素。不久後，他所預測的鎵(Ga)、鈧(Sc)及鍺(Ge)三個元素，陸續成功被發現；瑪麗居禮(Marie Curie)也從實驗中發現了釙(Po)及鐳(Ra)；1925年，人類發現的最後一種天然元素─錸(Re)問世，而第一個在實驗室裡人工合成的人造元素─鎝(Tc)，則在1937年誕生。時至今日，我們熟知的元素週期表上已有118個元素，門得列夫留給後世的，是繼續開拓更多化學元素的絕佳指引。
19世紀末，英國的雷利爵士(John W. Strutt, Lord Rayleigh)和拉姆齊(William Ramsay)合作發現了氣體氬(Ar)。往後數年間，氬與氖(Ne)、氪(Kr)、氙(Xe)等統稱「惰性氣體」嶄新的一族元素被發現。20世紀湯木生(J.J. Thomson)、拉賽福(Ernest Rutherford)等人開啟的「原子時代」，科學家們藉著認識原子的內部結構，使人類的知識與文明不斷向前跨越。回頭來看，元素週期表正是原子電子結構的外顯，是化學家實驗的導航圖，更可以說是物質科技發展的指南！這些是拉瓦節、門得列夫等人的洞見及創作，也是歷史上眾多化學家們合作與傳承而開展的化學革新，呼應了開場時陳教授所提的觀點。
●走上未完的驚奇之旅
我們大多學生皆曾對背誦「元素週期表」有些排斥，因為台灣的教育只是硬記這些答案，並未讓學生興起追尋「問題」的動力。陳教授認為，台灣的教育應思考如何對一個知識概念感到驚奇、意外，才開始進行思考。如此也方能培養真正的科學人才，號召更多人加入科學社群，共同在未完的浩瀚知識之旅繼續探索、發光發熱。
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本文整理自：108/3/16由陳竹亭老師在臺大思亮館國際會議廳所主講之「發現元素新大陸」演講內容。
