作者：（日）吉田隆嘉
出版社：南海出版公司
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
走进奇妙的元素周期表试读：
序言
元素周期表与京都的美妙关系大家有没有在京都散过步呢？实不相瞒，我与元素周期表的缘分，就始于京都这座城市。
众所周知，京都是一座“横平竖直”、好似棋盘的城市。我是在这个条理井然的地方出生长大的。
四条河原町是京都最繁华的区域，之所以叫这个名字，是因为它位于南北走向的河原町大道与东西走向的四条大道的交汇处。从四条河原町出发，沿着河原町大道一路向北（这是我最喜欢的散步路线），走过河原町三条和河原町二条，就是位于京都市中心最北端的葵桥。大道前面的数字越小，就越接近矗立在京都北方的比山。京都的街景勾勒出的秩序，在我心中留下了深深的烙印。
后来，我离开京都前往东京求学。我在大学本科阶段学的是量子化学。所谓量子化学，就是通过精确计算电子的轨道，在不依赖实验的情况下，解开化学反应的本质。
就在我潜心研究量子化学的时候，有一天，从壁橱里翻出了高中的化学课本。我感到分外怀念，翻开课本，便看到了印在卷首的元素周期表。就在那一瞬间，早已淡忘的故乡街景重新在眼前闪现……
这是为什么呢？因为元素周期表体现出的“秩序”，与京都的世界观有异曲同工之妙。
例如周期表从右往左数第二列，就排列着五个“卤族元素”：氟、氯、溴、碘、砹—这一列在我眼里就是京都的河原町大道。
在元素周期表这一列中，每往上移一层，元素的性质就会有些许变化。这感觉就像沿着河原町大道一路向北，视野中的比山越来越近。在京都街景的映衬下，元素谱写出的均衡秩序，还有完美诠释出这种秩序的元素周期表都显得分外可爱。我之所以对周期表产生这样的感情，也是因为拜倒在了“秩序美”的脚下。
不仅仅是卤族元素，周期表两头的元素都有鲜明的秩序，比如最右侧的“稀有气体”、最左侧的“碱金属”和左起第二列的“碱土金属”。正因如此，我每次看到周期表，都会回忆起在河原町大道散步时看到的光景。
魅力十足，令人心醉—这就是元素周期表给我的印象。
可惜有这种印象的人寥寥无几。提起“元素周期表”，大家首先联想到的是什么呢？“元素周期表好难背啊！”“我就是懒得记元素周期表，所以才讨厌化学。”“学元素周期表真的很烦，要是世上没有这东西就好了！”
对周期表有负面印象的人才占绝大多数吧。“元素周期表真有意思。”“上高中时，我就觉得元素周期表超级浪漫。”—我从来没碰到过说这种话的人。实不相瞒，我上高中的时候也不觉得周期表多么有意思。
现在想来，我们没能在高中化学课上感受到元素周期表的魅力，是因为周期表的教法存在两个致命的缺陷。
缺陷之一，是老师没有告诉我们，“元素周期表对我们非常有用”。我深深感到现有的教育体系缺失了这个视角。既简单又复杂的学问
虽然很喜欢量子化学这门学问，但我还是想从事与“人的生命”有关的工作，所以后来重新考了一次大学，进了医学院。毕业后，我顺利地成了一名医生。在研究营养素与有毒物质的过程中，我切实感觉到“元素周期表的确管用”。学化学的人在改行学医之后爱上了元素周期表恐怕并非偶然。正因为在研究过程中接触到不少证明“元素周期表用处多多”的具体事例，我才会对这张表产生浓厚的兴趣。
所以，在学习元素周期表的时候，我们也需要从它如何为医学与健康做贡献这个角度去看。当然，我会在本书中积极采用这一视角，充分利用我的职业优势。
周期表教法的第二个缺陷，是老师没有给学生讲解元素周期表的本质。
我上高中的时候，还以为元素周期表就是元素的一览表，光顾着死记硬背元素名称和它们各自的性质了。但是开始学习量子化学后，我就对周期表有了一百八十度的改观。
如果有人问“元素周期表到底是什么”，我会毫不犹豫地回答：
元素周期表就是在不依赖算式的情况下表现量子化学结论的东西。
量子化学是一门用算式诠释元素性质与化学反应的学问。原则上，全宇宙所有的化学反应都能用算式来表达，地球上的反应就更不用说了。
问题是量子化学的算式非常复杂，计算起来也不轻松。一九八一年荣获诺贝尔奖的福井谦一博士积极地向这一课题发起挑战，提出了全新的前线轨道理论，只需对部分轨道进行计算，便可以揭示化学反应的秘密。
话虽如此，要让人们真正理解化学反应的本质，就必须将算式勾勒出的元素性质以某种形式“模式化”。而元素周期表就将量子化学世界的一部分完美转化成了人人都能看懂的模式。
让一个不了解量子化学的人去教元素周期表，那他教出来的东西只能是一具空壳。高中的化学老师只会让学生死记硬背，学生自然不可能喜欢元素周期表。
在本书中，我会在周期表上略下功夫，在尽量不用算式的情况下，为大家呈现建立在方程式上的量子化学世界观。我坚信，看完本书的读者一定能品味到量子化学的魅力。
本书的大致结构如下：
第一章介绍“元素周期表是如何组成的”，以及“元素究竟是什么”。周期表看似杂乱无章，其实只要抓住诀窍，你就会发现它其实和交响曲的乐谱一般秩序井然，会交织出美妙的和弦。
第二章的主要内容是“通过元素分析宇宙起源”。自然界中的元素并不诞生于地球，而是诞生于宇宙。使用元素周期表追溯各种元素的轨迹，就能知道宇宙是如何进化的。
了解宇宙的起源，生命进化至人类的历史就会跃然纸上。有一门叫宇宙生物学的学问，近年来在欧美备受关注。它研究的就是宇宙与生命之间的关联。我会在第三章中为大家介绍科学家的研究成果，揭示宇宙中的元素与人体元素之间的共同点。
到了第四章，我将镜头拉近些，聚焦于组成我们身体的各种元素。都说人体的性能远超现有的精密装置，而神经与肌肉的运作机制在其中发挥着重要的作用。在维持生命的各项机能背后，都潜藏着元素周期表孕育出的元素魔法。
第五章的关键词是近年来备受瞩目的“稀土”。稀土元素到底有哪些？为什么它们能左右世界经济？另外，稀土元素在周期表上是单独列出来的，这在很大程度上影响了周期表的形式。其实，如果我们想更加完美地表现元素的性质，大可在元素周期表的形式上动脑筋。所以我也会在这一章中为大家介绍几种独具一格的元素周期表。
在常温环境下，有些元素呈固态，有些呈液态，有些则呈气态。第六章的主角就是这些气态元素。希望大家能借此机会，深入了解我们周围大气中的元素。另外，我一直认为元素周期表中最具美感的就是最右侧的六种“稀有气体”。我会在这一章中为大家详细解说它们美在哪里。
有些元素对生命体来说必不可少，但自然界中也存在许多对我们有毒的元素。在最后一章中，我会与大家回顾“四大公害病”，就元素的毒性进行一番分析。
让我们拿着通往宝岛的航海图元素周期表，踏上探寻宇宙与人体之谜的冒险之旅吧。“会不会很难？”—别担心，有周期表当我们的指南针，就不会迷路。当我们顺利抵达宝岛时，就能饱览自然规律一手打造的壮丽风景。我坚信，当你看完这本书，一定会对自然科学产生更浓厚的兴趣。元素周期表中日间对元素周期表中的主族元素、过渡元素及族的分类有差异。中国定义主族元素为表中1-2列及13-17列，过渡元素为表中3-10列，元素周期表共16个族，其中7个主族，7个副族，8-10列为一个族，称为第8族，第18列称为0族；日本定义主族元素为表中1-2列及12-18列，过渡元素为表中3-11列，共18个族，即每一列为一个族。本书后文不作特别指出时，均指日本的分类法。 第一章 元素周期表上究竟写了什么？元素周期表要从两头看起
元素周期表共有十八列，每一列都是一个“族”。所谓“族”，就是一群性质相似的元素的集合体。
学校的老师一般会按从左到右的顺序，从第1族开始，一列一列为大家讲解元素的特征。无论是课本还是参考书，翻开目录一看，基本都是“第一章 第1族”、“第二章 第2族”……
然而，研究化学的专家们绝不会这么看周期表。“俯瞰”周期表的大原则，可以归纳成下面这句话：
元素周期表不要从左往右看，要从两头往中间看。
这其实和足球比赛是一个道理。既然中央比较难攻，那就从两侧突破！进攻周期表的方法也是如此，从两头入手更好理解。为什么呢？因为越靠近两头，“族”的特征就越明显。
周期表中央的元素就没有那么好对付了，电子的排布比较复杂，就算是同一列的元素，性质也不一定相似。
顺便一提，我个人不太喜欢“族”这个称谓。因为在日语中，一提“族”，首先就会想起“暴走族”，而曾红极一时的“太阳族”、“御幸族”不单单指某一类相似的群体，还有些与社会对抗的意味，“族议员”一词的贬义也很明显，不是吗？
而在英语中，元素周期表的“族”用的是“group（组）”这个词。这个叫法就简单多了，还很有亲切感。学者就喜欢用晦涩难懂的字眼，但我觉得日语也用“组”就挺好。
其实，很多日本学者也在讨论学术问题时用“组”这个称呼。主族元素按“列”看，过渡元素按“行”看“两头”与“中央”的不同，也体现在这些元素的“统称”上。
第1列到第2列，以及第12列到第18列被称为“主族元素”。主族元素的周期性比较明显。
第3列到第11列被称为“过渡元素”。顾名思义，它们起到了承上启下的作用。
第3列到第11列被称为“过渡元素”。顾名思义，它们起到了承上启下的作用。图1-1 周期表要从两头入手
不过，过渡元素绝非鸡肋。它们的纵向联系并不紧密，但位于同一行的元素性质相近，每往右移一格就会有些许变化。
那么属于同一列的元素究竟有多像呢？要我说，最像的当属下列四个族（相似度由高到低）：
①第18列（稀有气体）
②第1列（碱金属）
③第17列（卤族元素）
④第2列（碱土金属）
其实亚军和季军几乎难分伯仲，有些学者觉得第17列的相似度比第1列更高，但应该不会有人反对“越靠近两头，相似度就越高”这一点。
而且这个排行榜的冠军也是实至名归，不容置疑。这一列元素的所有电子轨道都排得满满当当，所以该列大多数元素就算和其他原子接触，也不会发生化学反应。
在第六章中，我会为大家详细介绍这些神奇的稀有气体。被成功预测的未知元素
所有原子的中心都有原子核，电子围绕原子核运行。原子核由质子和中子构成，每个质子带一个单位的正电荷，中子不带电。而每个电子各带一个单位的负电荷。原子本身呈电中性，所以质子带的正电荷总数与电子带的负电荷总数相等。
原子核的质子数量就是所谓的“原子序数”。元素周期表就是按原子序数从小到大、从左到右排列的。排第一的是有1个质子的氢，排第二的是有2个质子的氦，排第三的是有3个质子的锂……如此这般。
当然，围绕原子核运行的电子数量也与原子序数相等。换言之，原子拥有的电子数量是按原子序数递增的。将这些元素放进周期表，外围轨道的电子状态相似的元素就会排成一列。
一八六九年，俄国科学家门捷列夫发现元素存在相似的周期性。他根据变化规律，将元素归纳成一张表—元素周期表就此诞生。当时人们还不了解原子的结构，所以归纳出这样一张能体现出元素间关联的一览表，是一件具有里程碑意义的大事。
一览表还有什么好处呢？有了它，我们就能预言未知的元素。门捷列夫在元素周期表中为尚未发现的元素空出位置，并对这些元素的特征进行预测，还给它们起了“暂用名”。
比如，他将位于铝（Al）正下方的元素命名为“类铝”，将硅（Si）正下方的元素命名为“类硅”。
一八七五年，法国化学家德·布瓦博德朗从锌的硫化矿物中提取出了镓（Ga）。根据它的性质，可知它就是周期表中的“类铝”。
一八八六年，德国化学家C·温克勒从硫银锗矿中成功分离出了锗（Ge）。人们意识到，那就是门捷列夫预言的“类硅”。
新元素一个接一个被人们发现，填补了元素周期表中的空白。而这些新发现的元素与门捷列夫的预言不谋而合。这也从侧面证实了周期表的正确性，于是这张表格一跃成为化学界关注的焦点。门捷列夫的智慧着实令人钦佩。
但我觉得现今的学校教育太侧重于历史知识。我们固然要向门捷列夫致敬，可是为了让学生感受到周期表的魅力，老师得为他们打一些量子化学的基础。因为周期表能在不使用算式的情况下，表现出量子化学的结论。何为量子化学
那么，“量子化学”这门学问到底是研究什么东西的？很多人对元素周期表还是感兴趣的，可是一旦涉及这种比较具体的问题，大家往往就会打退堂鼓。就连化学专业的学生也可能在这一关上栽跟头。2828
人体由10个原子组成。10是“穰”，所以我们也可以说“人体是由1穰个原子组成的”。数量单位每差四位，从小到大分别是万、亿、兆、京、垓、秭、穰……由此可见，我们生活的世界与原子相比有多大。“1穰个”的游戏规则自然不适用于“1个原子”的世界。比如，在我们生活的世界中，时间与位置是可以同时确定的。我们可以跟朋友约好“晚上七点半在涩谷八公像前见面”。除非这位朋友特别不守时，否则总能见到。但是在1个原子的小世界里，就没法这么约定了，因为时间与位置几乎不可能同时确定。
确定了时间，就无法确定准确的位置。而确定了位置，又无法确定准确的时间。这就是所谓的“不确定性原理”。位置与时间无法同时确定，只能用概率来表示—这是原子微观世界中的物理法则。
是不是有读者已经看晕了？其实，我刚开始学量子化学时也有这种感觉。学了一阵子后，我虽然能用算式计算出概率，但总觉得还没有完全理解这套机制。
但这并不是因为我不够努力（我可不是在给自己找借口）。用1穰个原子的世界的常识去理解1个原子的世界，本来就是不可能完成的任务，也是毫无意义的徒劳之举。
就连二十世纪最伟大的物理学家爱因斯坦，在去世前也对量子理论持否定态度。“上帝不会掷骰子。”
这是爱因斯坦留下的一句名言。他认为，这个世界上的物理现象不会只能用概率来表现。
爱因斯坦可是提出相对论这种颠覆既往常识理论的天才，连他都无法接受量子论，我们这些凡人一时半刻参不透也在所难免。
但我们不必气馁，研究量子化学的时候，只要用算式去分析概率就行了。我当时也是一知半解，但并不影响做研究。
本书会使用各种模式化的图表帮助大家理解。不过请大家注意，图表终究是模式化的东西，在真正的原子世界中，有些东西只能用概率来表达。原子核周围电子的“存在概率”
在大家的印象中，原子核周围是不是有很多以圆形轨道运行的电子？嗯，有这样一个笼统的概念就行了。
其实真正的原子并不是这样。在由“不确定性原理”支配的微观世界中，我们不可能确定电子某个瞬间的运行位置。
非要用示意图来表现电子位置的话，只能画成图1-2里的“电子云”。名为电子的微粒并不是在某个瞬间存在于原子核周围的某个特定位置—准确地说，电子存在的“概率”如云层般分布于原子核周围。图1-2 电子云
上面提到的云层，就是所谓的电子云。为方便起见，我们常使用“电子轨道”这个说法，但原子核周围并没有所谓的“轨道”，只有“电子的存在概率”。
而这个存在概率可以通过“薛定谔方程”得出。换言之，量子化学就是通过这个方程阐明元素性质与化学反应的学问。
薛定谔方程：
因为篇幅有限，我就不详细解说薛定谔方程了，总之，它的中心思想是：
动能+势能=总能量
我第一次看到薛定谔方程的时候，也觉得它非常复杂。但说得极端点，地球上所有的化学反应（包括神秘的生命活动），其实都是根据这个方程式进行的。如此想来，我不禁感叹大自然的原理着实简单，也着实美妙。
顺便提一下，薛定谔方程的计算工作一般只能借助高性能计算机完成。所以这个领域也被称为“计算化学”，是量子化学的核心研究方向。电子由内向外分布
至于每个电子以怎样的轨道运行，也能通过解方程式的方法求得。我学习量子化学的时候，也是成天忙着解方程，只是求解的过程实在复杂。
我上学那会儿还是八十年代，当时的电脑性能很差，很粗略的计算都要花上整整一个星期。我有几次险些没赶上研讨会，吓得直冒冷汗。
这么多年过去，电脑的性能有了长足的进步，但除了少数例外（比如氢），人们还是无法用电脑完全计算出电子的轨道。这也从侧面体现出电子轨道的深奥。这个领域是越深入越复杂，所以我只向大家介绍几个要点。
解出关于原子的方程式后，我们就有了电子的“轨道函数”与“轨道动能”。轨道函数表现了电子的运动状态，它的绝对值的平方就是电子的存在概率。换言之，电子云的形状，就取决于轨道函数。
轨道动能代表每个轨道函数（电子的运动状态）拥有多少能量。要了解电子从哪条轨道开始排布，就得先知道动能有多少。
每个电子的轨道都拥有不等量的能量。水总是从高处往低处流，从低的地方开始积存。同理，电子也是先占有能量低的轨道。轨道动能一般越靠里就越低（虽然也有若干例外），所以元素的电子一般都是由内向外排布。“残余电子”决定元素的性质
做好了铺垫，就让我们仔细看看元素周期表吧。我在序言里说过，元素周期表像极了京都的街道。其实京都的地名也很有规律，比如“四条河原町”，就是东西走向的四条大道与南北走向的河原町大道的交点。
周期表和京都一样，颇有些棋盘的神韵。它有纵有横，只要知道某个元素处在哪一行与哪一列的交点，就能对它的性质有一个大致的了解。
先看“列”—元素在元素周期表中属于“同一列”，究竟意味着什么呢？
元素与周期表有千丝万缕的联系，其中最重要的联系就是下面这两点：
1.周期表上同属一列的元素，最外层电子的状态往往非常相似。
2.最外层电子数决定了元素的基本性质。
把内侧的轨道填满后，剩余的电子就会分布到最外层的轨道上。而同一列元素的“残余电子”数量往往相同，所以同一列的元素常具有相似的特性。
其实我们的身体也会根据最外层电子数判断元素的种类，决定要不要吸收某种元素。
下面我将以铯（Cs）与锶（Sr）为例，为大家详细解说人体是如何判断元素种类的。东日本大地震引发核电站事故后，这两种元素频频出现在各类新闻节目中，想必大家也都听说过。人体会误认摄入体内的元素
为了防止核电站事故导致的内照射，各类电视节目与报刊都反复强调：“要防止铯在体内沉积，最好的方法就是多摄入钾。”“要防止人体积蓄过多的锶，就要多补钙。”
这是为什么呢？
请大家看一看元素周期表。铯和钾在同一列，相隔一行。锶就在钙的正下方。“位于同一列”的位置关系，就是解读周期表的关键，也体现出这两种元素容易造成内照射的根本原因。
钾是人体必不可缺的元素之一，神经与肌肉细胞的活动都离不开它，所以人体会积极摄取钾元素。而铯的最外层电子数和钾的相同，人体会误以为铯就是钾，加以吸收。
要是我们已经摄入足够的钾，身体就会做出判断“不需要更多的钾了”，降低吸收钾的频率，从而降低人体吸收铯的风险。
锶和钙的关系也是如此。锶的最外层电子状态与它上方的钙很相似，所以人体很容易产生误会。要防止人体吸收锶，最行之有效的方法就是平时多补钙。图1-3 人体会把铯误认为钾，把锶误认为钙碱金属家族
铯的原子序数是55。也就是说，它的原子核里有55个质子，原子核周围有55个电子。但这些电子并不是到处乱转。它们的运行方式（即我前文讲解的“电子轨道”）有明确的规律。
铯和钾相似在哪里？它们的最外层轨道都只有1个电子。铯一共有55个电子，除了最外层的那1个，剩下的54个都分布在内层轨道上，刚好把位子占满了。只有多出来的那个孤零零地在最外面转圈。对人体细胞来说，这一点至关重要。
其实，最外层的电子排布直接决定了许多元素能发生怎样的化学反应，铯也不例外。当然，内层轨道的电子状态也不是与化学反应完全无关，但最外层电子数起到了决定性作用。
比如，当原子要和另一个原子组合成一个分子时，两个原子会相互接近，发生反应。和外来原子发生反应时，最外层电子起到的作用肯定是最大的，这一点大家应该都能想通吧。
钾的原子序数是19，所以它的质子数量和电子数量都是19个。18个电子把内层的轨道填满了，只有多出来的那1个在最外层轨道运行。
图1-4是铯与钾的电子排布示意图。钾的体积比铯小得多，但这两种元素都只有1个电子孤零零地在最外层运行。图1-4 铯与钾的电子排布
铯和钾都位于周期表最左侧的第1列。这一列的元素有氢（H）、锂（Li）、钠（Na）、钾（K）、铷（Rb）、铯（Cs）、钫（Fr）（重量由轻到重）。
如图1-5所示，这些元素的内层电子数量各不相同，但是最外层轨道都只有1个电子。
除了氢，其他属于这一列的元素被统称为“碱金属”。它们很容易失去最外围的那个电子，形成+1价的阳离子，其他化学性质也非常相似。它们都是金属，但是能溶于水，形成碱性溶液，因此得名。
氢之所以被排除在碱金属之外，是因为它一共只有1个电子，原子本身就很小，这对它的反应模式和性质产生了影响。这一列中，只有氢是气体，不是金属。
不过，当我们向氢施加400万个大气压时，它就会变成金属，称“金属氢”。金属氢呈现出的性质与碱金属非常相似。因此科学家们普遍认为，在气压巨大的木星与土星内部，也许真的存在金属氢。
将氢和碱金属放进周期表一看，就会发现它们排成整齐的一列，最外层电子的状态也像图1-5显示的那样一目了然。可以说，周期表的真髓，就是能作出这样的解读。图1-5 碱金属元素的电子数铯引起的恶性肿瘤
钾是对人体极为重要的一种碱金属。我们全身的肌肉与神经都离不开它（详见第四章）。
人体由60万亿个细胞组成，而钾活跃在每一个细胞中，发挥着各种各样的作用。你找遍浑身上下，都找不到一个完全用不到钾的细胞。
植物普遍含钾。土豆与绿色、黄色蔬菜中含有大量的钾。我们能通过进食摄入钾，为肌肉细胞和神经细胞加油。
然而，人一旦吃下含有放射性铯的食物，这些铯就会顺着钾的输送渠道流向全身。它们流到哪里就辐射到哪里，于是就引起了内照射。
放射性铯能引起各类恶性肿瘤，比如胃癌、肺癌、大肠癌、白血病等。所有细胞都会用到钾，所以人体一旦把铯误认为钾，并将其吸收，它就会被输送至全身的每一个角落。碱土金属家族
接下来再看看和铯出现频率一样高的锶吧。核电站事故之后，它也受到了全社会的广泛关注。其实人体误认锶的原理和误认铯的原理完全一样，只是锶的最外层轨道有2个电子，而不是1个。
锶的原子序数是38，所以它的原子核由38个质子组成，而原子核周围运行着38个电子。其中36个电子把内层轨道填满了，于是剩下的2个就被挤到了最外层。
而钙的原子序数是20，它有20个质子和20个电子。其中18个电子填满了内层轨道，剩下的2个分布在最外层。
这两种元素的最外层轨道都只有2个电子，所以人体很容易把锶误认为钙。
在元素周期表中，锶和钙都在左起第2列。属于这一列的元素有铍（Be）、镁（Mg）、钙（Ca）、锶（Sr）、钡（Ba）、镭（Ra）。这些元素的最外层轨道都是2个电子，所以它们很容易失去这2个电子，变成+2价的阳离子。放射性锶带来的风险
放射性铯能引起各种恶性肿瘤，而人体一旦摄入放射性锶，患上白血病的风险就会直线上升。
因为人体内98%的钙分布于骨骼中（骨骼的主要成分是磷酸钙），被误认的锶也会被输送到身体各处的骨骼。
深入骨骼的放射性锶会释放出放射线。放射线便会导致骨骼癌变，使人患上骨肉瘤。图1-6 锶与钙的电子排布
然而，放射性锶还能引起另一种恶性疾病，而且它的发病率远远高于骨肉瘤。这种恶性疾病就是白血病。
骨骼中心的骨髓是生产红细胞与白细胞的工厂。大家总会把骨骼想象成“又白又硬的东西”，但只有骨骼表面的骨皮质符合这一描述。被骨皮质包裹着的部分略带红色，那就是骨髓。
大家吃炸鸡时，不妨把鸡骨头敲开观察一下：光滑而坚硬的白色骨皮质内侧呈红黑色，而且很脆。无论是人还是鸡，都会用这部分生产红细胞与白细胞等血液细胞。红黑色正是红细胞的前身“成红血细胞”的颜色。
被骨骼吸收的锶产生的辐射不仅会影响骨骼细胞，更会伤害就在附近的骨髓细胞。骨髓一旦出问题，后果不堪设想。因为骨髓是生产血细胞的地方，时刻都在进行快速的细胞分裂。细胞癌变的时刻
细胞一旦暴露在辐射之下，就要面临癌变的风险。而细胞最容易癌变的时刻，就是分裂的瞬间。
基因对生命体至关重要。它平时都整整齐齐地折叠在细胞内，不会有任何闪失。
基因是拥有双螺旋结构的细丝状DNA。细丝虽然易断，但是整齐缠绕在线团上的丝线是不会轻易断裂的。因此完整的细胞就算稍微吸收一点辐射，基因也不会受到太大损伤。但在分裂的那一刻，细胞会露出些许破绽。
基因需要在细胞分裂时自我复制，生成一套新的基因。所以细胞会在这个时候把小心折叠起来的基因拆开，使它变成细长的链条。这一刻，基因处于毫无保护的状态，一旦遭到辐射，就会被轻易破坏。要是破坏的地方不凑巧，细胞就会产生癌变。
为了大量生产红细胞、白细胞等血细胞，骨髓无时无刻不在进行细胞分裂。人体把生产血细胞的工厂藏得这么深，也是为了防止工厂受到外界的不良影响。
问题是，人体一旦摄入放射性锶，就无异于把辐射源安在了血液工厂隔壁。久而久之，生产红细胞与白细胞的造血细胞就会纷纷癌变，引起白血病。
被白血病侵袭的细胞会在遭受辐射二至三年后开始增加，在第六至第七年达到峰值。而胃癌、大肠癌等实体癌的发病率上升速度比白血病慢得多。因此核电站一旦出事，我们首先需要提防的就是白血病。何谓“周期”？
人体之所以会把铯和钾搞混、把锶和钙搞混，关键在于这两对元素的最外层轨道拥有相同的电子数。这一点在元素周期表上体现得淋漓尽致，应该不需要我再多解释。下面让我们来看看周期表的“行”。
如前所述，周期表是按照元素的原子序数排列的，1号是只有1个质子和1个电子的氢、2号是有2个质子和2个电子的氦……而“每一行有几个元素”也是解读周期表的要点之一。
周期表的第1行只有氢和氦，第2行则有包括碳、氮在内的8个元素。第3行也是8个元素（包括钠、铝等）。第4行与第5行都有18个元素。
每一行的元素数量与电子轨道能容纳的电子数量一一对应。最内层的轨道只能容纳2个电子。如果元素还有第3个电子，就只能排到更外侧的轨道，所以元素周期表的第1行只有氢和氦，有3个电子的锂被列在第2行。
为了方便大家理解，我之前用的都是“第1行”、“第2行”这样的表述。其实元素周期表的行是有正式名称的，叫“周期”。氢和氦是第1周期，包括碳、氮等元素的第2行是第2周期，包括钠、铝等元素的第3行是第3周期，以此类推。
我在前面的章节说过，我反对把周期表的列称为“族”，但“周期”这个名称倒是深得我心。因为它完美诠释了原子特性的本质。顺便一提，周期翻译成英语是“period”。周期由电子的排布决定
接下来，让我们仔细瞧一瞧每个周期的电子排布。
第1周期的元素只有1层轨道，电子数量上限是2个。第2周期的电子数量上限比第1周期多，最多可容纳8个电子。所以第2周期的元素最多可以有2+8=10个电子。电子数量一旦超过10个，就会被排到第3周期。
第4、第5周期的原子比较大，轨道的表面积也相应增大，因此第4、第5层轨道能容纳的电子数一下子增加到18个。所以这两个周期每行有18种元素。这就是元素周期表的排列方法。
请大家注意，每层轨道的电子数量上限并不是随机的。第2层与第3层都是8个，第4层与第5层都是18个。所以周期表的第2行与第3行都是8个元素，而且属于同一行的元素有相似的性质。第4行与第5行也是如此，只是这2行都有18个元素罢了。
我们也可以说，“第2周期与第3周期的元素以8为周期”，“第4周期与第5周期的元素以18为周期”。图1-7 在轨道上运行的电子与周期的关系
每个周期的元素会呈现出周期性的变化。正因为元素周期表体现出了元素的这种变化，它才会被命名为“周期表”。拓展栏目：决定电子轨道的四项原则
元素周期表的本质，就是体现“元素性质的周期性变化”。那么元素的性质为什么会呈现出周期性的变化呢？其实，这个问题背后隐藏着一套美妙到叫人窒息的理论。
嫌麻烦的读者可以跳过这个栏目，直接看第二章。不过大家要是静下心来，把这部分内容参透，一定能更加深刻地感受到元素周期表的魅力。
其实决定电子轨道的变量只有3个：主量子数n、角量子数l、磁量子数m。原则1 主量子数n=1、2、3……
主量子数n是最基本的变量，它决定了电子轨道的大体能量。n只能是1、2、3这样的自然数（正整数）。简单来说，n=1代表最内侧的电子层，n=2代表比第一层稍远的电子层，n=3代表比第二层更远的电子层，以此类推。当主量子数增加时，原子的外层电子将处于更高的能量值。原则2 角量子数l=0～n-1
角量子数l只能取小于n的非负整数。它决定了电子轨道的形状。原则3 磁量子数m=-l～+l
磁量子数m也只能取整数，而且这个数字的绝对值必须小于角量子数l。它决定了电子轨道的伸展方向。原则4 每个轨道最多容纳2个电子
这条原则也很重要，每个轨道的电子数量上限是2。
世界上有一百多种元素，而它们的电子轨道都是由主量子数n、角量子数l、磁量子数m这三个量子化参数决定的。大家不觉得这个世界分外简单，也分外美妙和谐吗？
而元素周期表就用一张简简单单的图表完美诠释了这四项有些费脑的原则。从这个角度看，周期表着实是一部浓缩了精华的伟大作品。
光看文字，大家可能会觉得晕头转向。别担心，只要把具体的数字填进去，就很好理解了。请各位对照第40页的一览表，听我慢慢道来。主量子数n=1时
角量子数l必须是小于1的非负整数，那就只可能是0。磁量子数m也只能取0。这种情况下只有1个轨道，因此电子最多不会超过2个。周期表最上面的那一行，即第1周期就属于这种情况，所以第1周期只有氢和氦这2种元素。主量子数n=2时
角量子数l必须是小于2的非负整数，所以它可以取0或1。
如果角量子数l=0，则磁量子数m只能取0；如果角量子数l=1，那么磁量子数m可以取-1、0或1。每个轨道能容纳2个电子，总共是2×4=8个电子。“8”这个数字是不是很眼熟？没错，周期表的第2周期从锂至氖，一共是8个元素。这个周期代表的是主量子数为2的元素。
周期表的神奇之处还不仅仅是这些。主量子数n=3时
角量子数l必须是小于3的非负整数，所以它可以取0、1或2。
如果角量子数l=0，则磁量子数m只能取0；如果角量子数l=1，那么磁量子数m可以取-1、0或1；如果角量子数l=2，那么磁量子数m可以取-2、-1、0、1、2这5个值。
每个轨道可以容纳2个电子，所以l=0时是2个电子，l=1时是6个电子，l=2时是10个电子。
3个数字相加等于18，即n=3时，电子数量是18。“咦，不对啊！”—能瞧出问题的读者相当了得！没错，第3周期的元素只有8个，而不是18个。这就是周期表的精妙之处了……
l=2时，能量非常高，甚至超过了n=4的部分轨道。因此l=2时的10个元素被安排到了第4周期。
第2周期和第3周期都是8个元素，一看就很有周期性。通过我上面的解释，想必大家也能意识到，这两个周期有相同的长度绝非偶然。因为两者的元素数量都是l=0时的2个，加上l=1时的6个，总共8个。元素周期表用异常简单的形式淋漓尽致地体现出了这一点，真是太了不起了。
第4周期与第5周期都由18种元素组成，这也不是一个巧合。l=0时的2个，加上l=1时的6个，再加上l=2时的10个，全部加起来就是18个。
这2个周期的计算方法和第2、第3周期完全一样，我就不赘述了，请大家参阅第40页的一览表。
第6、第7周期也符合这个规律。乍一看，周期表上这2个周期貌似都只有18种元素，但仔细一看就会发现，镧系元素与锕系元素是单独列在下面的。与第4、第5周期相比，这2个周期还要加上l=3时的14个元素，总计32个元素。请大家注意，第6周期与第7周期的元素数量是相等的。
综上所述，元素周期表为我们完美呈现了元素周期奏响的和弦。相邻的2个周期完全一致，像相邻的2张书页。每隔2个周期，元素的名额就有所增加，增幅也呈等差数列：2、6、10、14……
我一直认为，元素周期表才是宇宙法则一手打造的顶级艺术品。图1-8 量子状态与周期的关系 第二章 通过元素周期表解读宇宙元素并非诞生于地球
大家可能会觉得宇宙和元素周期表毫无关联，这都是学校照本宣科式的教育惹的祸。其实，只要掌握解读周期表的方法，我们对宇宙的理解就会有飞跃性的提升。本章的目的就在于此。我甚至觉得，元素周期表本身就是一个“小宇宙”。
我们周围的元素是从哪儿来的呢？其实，除了一小部分例外，天然元素几乎都无法在地球上形成。组成人体的元素大多来源于宇宙。
元素的诞生有一项至关重要的条件—温度一定要超过1000万度。
原子核由质子和中子组成。质子带正电，照理说它们应该相互排斥，无法组成原子核。但是当质子与中子这样的核子无限接近时，它们之间会产生“核力”。核力远大于质子相互排斥的力量，于是原子核就形成了。
在理论层面推导出核力机制的人，就是著名的汤川秀树博士。
汤川博士认为，质子和中子通过交换一种有质量的未知粒子，产生了交互吸引的作用力，这种作用力就是核力。这种未知粒子被命名为“介子”，汤川博士提出的理论就是“介子理论”。
十二年后，英国物理学家塞西尔·弗兰克·鲍威尔真的发现了介子，证明了介子理论的正确性。一九四九年，汤川博士凭借他的杰出贡献，成了有史以来第一个荣获诺贝尔奖的日本人。
其实“介子理论”背后还有一个有趣的小故事：汤川博士有失眠的毛病。在一个不眠之夜，他盯着天花板上的年轮纹样看了半天，突然灵光一闪，想出了介子理论。年轮中央有两个连在一起的圆圈，形似葫芦。他越看越觉得这木纹像原子核，于是就有了灵感。
介子理论本身也是用算式表达的，但博士的灵感竟来源于天花板上的年轮，这一点真是耐人寻味。
言归正传。要创造出新的元素，就需要让一个原子的原子核和另一个原子的原子核接近到会产生核力的距离。然而，带电的原子核会相互排斥，除非有超级巨大的能量作用在它们身上，逼着它们接近。只有超过1000万度的超高温状态才能实现这样的效果。
毫无疑问，地球上绝不会有超过1000万度温度的地方。地表肯定没那么烫，地心深处的岩浆也不过1000度左右，根本没法与1000万度相比。所以新元素不可能在地球上自然形成。元素出自1000万度以上的高温
宇宙那么大，要上哪儿去找1000万度的高温呢？超高温状态主要出现在下列三种情况下：1.形成宇宙的“大爆炸”发生后
在137亿年前，宇宙诞生于一场大爆炸之中。能创造出宇宙这种庞然大物的爆炸，温度之高可想而知。据说大爆炸1秒后的温度足有100亿度，比1000万度高多了。2.发生在太阳等恒星内部的“核聚变”
恒星内部的温度高于1000万度，也是新元素的摇篮。我们最为熟悉的恒星太阳也是如此。太阳的核心温度有1500万度。在这样的环境下，氢原子会相互聚合，形成新的氦元素。
但核聚变在太阳上并非随处可见。太阳表面看似烈火熊熊，但温度只有5500度左右，无法孕育出新元素。这么一对比，大家就能想象出“1000万度”有多高了吧？3.恒星寿终正寝时—“超新星爆炸”
当一颗巨型恒星（质量超过太阳的十倍）寿终正寝时，会发生爆炸。这就是所谓的“超新星爆炸”。科学家认为，宇宙中那些比铁更重的元素，几乎都是在超新星爆炸后的最初10秒内形成的。
接着就让我们具体分析一下上面三种情况。原始宇宙如此形成
众所周知，我们的宇宙形成于137亿年前发生的“大爆炸”。问题是，科学家是怎么推测出这一点的呢？
观测结果显示，宇宙正在不断膨胀。换言之，宇宙原来并没有这么大，时间线越往前推，宇宙就越小。推到底，宇宙就汇集到一个点上。科学家通过计算，发现在137亿年前，宇宙就是一个点。
当然，我上面说的这些都是“纸上谈兵”，但科学家们的确观测到了大爆炸留下的电磁波。要是没有发生过大爆炸，那些电磁波就解释不通了。
目前学界的主流理论认为，在大爆炸发生100万分之1秒后，基本粒子就诞生了。那些基本粒子聚集起来，在1秒后形成了氢的原子核。在大爆炸3分钟后，氢的原子核聚集在一起，形成了氦。于是氢占92%、氦占8%的原始宇宙就这样形成了。
之后，大量的氢汇聚到一起，形成了恒星。氢的原子核在恒星内部发生核聚变，产生了氦。巨大的能量在这个过程中被释放出来。正是核聚变产生的能量点亮了无数恒星。
氢燃烧殆尽后，氦就会发生核聚变，逐渐生成碳（C）、氮（N）、氧（O）等质量更大的元素。
不过，能在恒星内部形成的元素只到铁（Fe）为止。因为铁的原子核最稳定，恒星内部无法形成比铁更重的元素。铁是元素中的优等生
所有元素中，铁的原子核的能量水平最稳定。因此比铁更轻的元素（比如氢）会想方设法通过核聚变让自己变重。
而铀（U）、钚（Pu）这些比铁重的元素则会发生核裂变，让自己变轻。比如铀235，一旦吸收中子，就会裂变成氪92与钡141。
如图2-1所示，原子越重，原子核的结合能越大，结合之后就越稳定，因此核聚变的顺序是氢先聚变成氦，然后氦再聚变成碳……如此这般。图2-1 所有元素都在朝能量最稳定的“铁”努力
然而核聚变反应到铁就结束了。比铁重的元素的结合能偏小，反而不稳定。它们不光无法进行核聚变，反而会为了变成最稳定的铁进行核裂变。
顺便一提，核电站与原子弹利用的就是铀等比较重的元素发生核裂变时释放出的能量。这些能量会转化为热能。换言之，核电站的发电原理就是把图2-1右侧结合能的差值转换成电力。
太阳之所以能释放出能量，是因为氢进行核聚变时多余的能量转变成了光与热。太阳能发电技术利用的就是这些能量。我们熟悉的石油与煤炭，也是远古时代的植物通过化学方法固定下来的太阳能。所以火力发电利用的也是图2-1左侧的核聚变能。
那么比铁重的元素究竟是在宇宙的哪个角落形成的？形成的原理又是什么？
比铁重的元素不算多（大约65种），但每一种都在我们的生活中发挥着重要作用。没有锌（Zn），我们的神经就无法顺畅地传导信息；没有碘（I），就无法合成甲状腺素，导致全身代谢速度异常下降。银（Ag）、金（Au）与铂（Pt）都比铁重得多，虽然数量不多，但它们的确存在于自然界。
这些重元素是怎么诞生的呢？长久以来，这一直是宇宙的未解之谜。不过现在科学家通过研究发现，大多数重元素都来源于超新星爆炸。出自超新星爆炸的元素的化学进化
再过50亿年，太阳内部的氢等元素就会燃尽。之后，它会先变成“红巨星”（体积是现在的100倍以上）。所谓红巨星，就是大气膨胀、温度下降后发红的恒星。如果那时地球的公转轨道和现在一样，那它很可能被变大的太阳吞噬。然后，太阳会释放出大量气体，在距今70亿年后变成和地球一般大的白色死星—白矮星。
问题是，比太阳大10倍以上的恒星一旦用尽燃料，就无法保持原型，进而发生爆炸。这就是所谓的超新星爆炸。大量能量会在爆炸时释放出来。在爆炸1秒钟后，比铁更重的元素就会相继诞生。
研究结果显示，当中子撞到原子核时，中子就会发生β衰变（中子衰变为质子、电子与反中微子），转变成质子，形成更重的元素。
一旦发生超新星爆炸，无数尘埃就会散落到周围的宇宙空间。尘埃聚到一起，形成新的恒星。新恒星死亡时也会发生超新星爆炸，形成更重的元素。这个过程周而复始，每发生一次，就会有比铁更重的元素诞生。
我们将这种现象称为“元素的化学进化”。“化学”本是代表元素组合变化的专业术语，所以我觉得用“原子核进化”或者“元素进化”更合适一些。
那么，我们所在的太阳系处于化学进化的哪个阶段呢？如前所述，太阳很小，不会引发超新星爆炸。但是地球和太阳系的其他地方的确有比铁更重的元素。由此可见，太阳系的化学进化程度已经相当高了。
这意味着太阳系在太阳和地球诞生前，已经经历过超新星爆炸。换言之，利用锌和碘等比铁更重元素的人类的存在，完全建立于宇宙化学进化史的基础上。参宿四的天体秀何时上演？
本节的内容和元素没有太大关系，而是与“超新星爆炸”有关的热点话题。
眼下有一颗恒星吸引了研究宇宙科学的专家们的关注。它是猎户座的参宿四。学者们认为，它发生爆炸的日子已经不远了。
猎户座在冬季星座中分外惹眼，而“猎户”肩膀上的参宿四则是这个星座中最明亮的一颗红星。亲眼见过这颗星星的读者一定不在少数。
实际上，这颗参宿四已经走完了生命99%的路程，随时都有可能发生超新星爆炸。
许多观测结果都暗示着它的宿命—人们通过哈勃望远镜观测到它表面的白色花纹，而且它已经开始变形，表面长了个“大瘤子”。还有数据显示，它正在以惊人的速度收缩。
顺便一提，哈勃望远镜是在距离地表600公里的轨道运行的太空空间望远镜，于一九九○年由美国成功发射。它不受地表大气与天气的影响，能够精确观测各类天体。
宇宙是如此浩瀚，每天都会有超新星爆炸发生，只是爆炸发生在遥远的其他星系。我们所在的银河系，每30至50年会发生一次超新星爆炸。而参宿四离太阳系很近，如果它真的爆炸，那很有可能是智人诞生20万年以来规模最大的天体秀。
东京大学的研究小组对参宿四的爆炸情况进行了估算。它一旦爆炸，将释放出相当于满月光芒100倍的光亮。另外，南昆士兰大学的研究小组认为，参宿四爆炸时的亮度足以让我们在白天清清楚楚地看到它。
但是，谁都说不清参宿四到底会在什么时候爆炸。
它的确处于“随时都有可能爆炸”的状态，但也完全可能在100万年以后才爆炸。宇宙的时间单位就是如此巨大！宇宙到处都是氢
以太阳为首的太阳系由地球、火星等行星，月亮与木卫二等卫星，系川等小行星与陨石，还有哈雷彗星等彗星组成。图2-2体现的是各种元素在太阳系中的存在量。
宇宙实在太大，科学家们会对全宇宙的元素存在量进行推算，但不同的人得出的数值差比较大。如果把范围限定在太阳系，数据就比较精确了，所以下面使用的都是太阳系的数据。
图表的横轴是原子序数，越靠左的元素越轻，越靠右就越重。换言之，图表左侧的元素在元素周期表中的位置比较靠上，而图表右侧
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]