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第一章 自然界的物质
第一节 物质微观结构的探索

茫茫玉宇，寥廓江天，沧海桑田，巍巍山峦。仰望太空，斗转星移，俯察大地，声、光、热、电，这就是展现在我们面前的物质世界。世界是由物质构成的，没有物质也就没有世界。可是，世界上那形形色色、千变万化的物质，又是由什么构成的呢？它的结构层次怎样？本源是什么？千百年来，人类一直在思考着，探索着。物质结构科学是自亘古以来人们最为关注的重大科学命题之一。
一、对物质微观组成的漫长探索
几千年来，人类祖先对于物质结构的探讨，就十分活跃。水受热化成汽，遇冷凝成冰；木材燃烧后成为炭；花香四处飘散……这些物质的变化和扩散现象使古代的哲学家们推测到，物质是由少数的基本元素所组成。古希腊人认为水、火、泥土和空气是构成世间万物的基本元素。中国古代也有“五行说”，即世界是由金、木、水、火、土五种元素组成。
但是经过历史的筛选和实验证实，堪称最伟大的古代学说的是古希腊的原子论。古希腊的哲学家德谟克里特(公元前460～370 年)对大量的自然现象加以分析和推测之后，得出了这样的结论：物质都是由一些坚硬的、不可再分的微粒构成的。他给这种小微粒起名叫做原子(按照希腊文的原意，就是不可再分的意思)。但是，德谟克里特的原子概念提出后，并未得到重视和发展。因为，这种朴素的古代原子论，是靠观察、推测而得出的结论，并没有被科学实验所证实，未能得到公认。
到了17世纪中叶，由于科学实验的兴起，积累了一些物质变化的定性和定量测定的资料后，才初步获得关于原子的正确概念。为探索物质结构奠定了科学基础，最先在物质结构方面做出卓越贡献的，是著名的英国化学家道尔顿。他把古代思辨的、模糊的原子假说发展为科学的原子理论，提出了著名的道尔顿原子论。
道尔顿原子论的重大意义，不在于他重申了两千多年前就提过的原子概念，而在于他提出：一切物质都是由极小的微粒——原子组成的，但原子并不都是一模一样的小球；不同的物质含有不同的原子；不同的原子具有不同的性质、大小和不同的原子量。在这里，他首先创立了原子量的概念，不同原子具有不同原子量的观点。正因为如此，当1803年道尔顿在一次学术会上宣读论文之后，便立刻引起了科学界的震动。人们听了他的论述，思想豁然开朗，因为有了原子量，使化学上一些定量的实验现象和基本定律都得到了合理的解释。这是化学发展史上的一个重要里程碑。恩格斯曾高度评价这一成就，他说，化学的新时代开始于道尔顿的原子论，并称他为“近代化学之父”。
揭示微观物质组成的底蕴，是意义及其重大的探索，它不但有助于了解宇宙万象的变化和演进，而且极大地推动了现代科学和技术的发展。例如，若想了解太阳能的来源，就可以从原子核的裂变和聚变原理得到解答；如果要知道现代信息技术，就必须了解电子和光子的运动规律。正是由于这些重要原因，在20世纪中凡是发现过一种新元素或重要粒子的，几乎都获得了诺贝尔奖。
早在古代后期和近代前期，有些科学家和炼金术士就大胆地设想原子可以分解，在那种人类技术还很低下的情况下，这些实际上都是幻想，甚至被说成巫术。到了19世纪，科学有了较大发展。1887～1900年，英国科学家洛奇尔(1836～1920)利用光谱仪观察太阳表面，发现不同温度时太阳谱线展示了元素的演化过程，就像达尔文进化论反映的生物进化过程一样。那么无机物是否也像生物一样，有着进化的漫长过程呢？如果是，那么它们的内在原因又是什么？要解答这个问题，只有从研究物质的微观组成及其变化的规律着手。
直到十九世纪末期，原子一直都被认为是构成物质的不可再分割的最小微粒，原子的大门一直在禁锢着，谁也不知道，原子的内部世界，究竟是个什么样子。
二、敲开原子世界的大门
人们常说，19世纪末的三大发现(X射线、放射性、电子)揭开了现代科学革命的序幕。1895年伦琴发现了X射线，1896年贝克勒尔发现了放射性，1897年汤姆逊发现了电子。这些发现揭示了原子存在内部结构，从此人们开始真正步入了对原子微观世界的研究。
在这三大发现中，以电子的发现最为重要，因为比原子小的东西的存在意味着原子的分裂及其组成，对不久后原子模型的提出准备了实验的基础。
电子的发现是和阴极射线的研究密切相关的。
在充有稀薄气体的玻璃管两端加上高压电后，玻璃管内就发生放电现象。如果提高真空度，玻璃管内的光线反而逐渐消失，在阴极对面的管壁上却会出现荧光。经研究，这荧光是从阴极发出的某种射线，因而命名为“阴极射线”。
阴极射线是什么？在19世纪最后的20到30年内对阴极射线的认识，就形成了完全对立的两种观点。一种是德国学派主张的射线波动说，一种是英国学派主张的带电微粒说。
1878年，英国科学家克鲁克斯研究发现，当管内阴极前面放有障碍物时，对面发光的玻璃上便会出现阴影；若放一个可以转动的小叶轮，那叶轮就会转动起来。这就证明，从阴极发射出来的，是一束看不见的、具有一定质量和速度的粒子流。
人们从实验中还发现，阴极射线在电场或磁场中会发生偏转。在电场中，射线偏向正极。这就进一步说明，阴极射线是带负电的微粒流。
对阴极射线进行了精细研究，并取得卓越成就的，是英国著名的物理学家汤姆逊。
1897年，英国科学家汤姆逊(1856～1940)设计了新的阴极射线管，成功测得了组成阴极射线的带电粒子的电荷和质量的比值，发现这种带电粒子的质量非常小，大约是氢原子质量的1/2000。到此，汤姆逊证实了，的确存在着比原子更小的单位，称为“微粒”，并把这种微粒命名为电子。从而在实验上发现了电子。这是第一个被发现的基本粒子。
阴极射线实际是高速的电子流。后来人们又发现，炽热发光的电灯丝也会发射电子，光照在某些物质上也会发出电子，电子在各种物质中都有，它是原子的组成部分。后来人们更精密地测定了电子的质量，它是氢原子质量的1/1837。
汤姆逊由于发现了电子，于1906年荣获诺贝尔物理学奖。
电子的发现打破了认为原子是组成物质的最小单元的传统观念。汤姆逊被称为是“最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”。
三、原子结构模型探索
人们在确认电子是原子的一个组成部分之后自然就想到，既然原子可分，那么它就存在着内部结构的问题，电子是怎样“安置”在原子里面的呢？在20世纪初，人们对原子结构的探讨是利用假说模型形式进行的。
（一）汤姆逊的葡萄干蛋糕模型
1903年，也就是发现电子6年以后，汤姆逊总结已经发现的事实，第一个提出了原子结构的理论。他给原子王国描绘了这样一幅图像：原子是一个均匀的带正电的球，在这个球里面，飘浮着许多电子。这许多电子带的负电，正好和这个球所带的正电相等，所以整个原子是中性的。如果失掉了几个电子，这个原子的正电荷就过多了，形成阳离子；如果多了几个电子的话，这个原子的负电荷就过多了，形成阴离子。在汤姆逊提出的这种原子模型中，电子镶嵌在正电荷液体中，就象葡萄干点缀在一块蛋糕里一样(见图1－1)，所以又被人们称为“葡萄干蛋糕模型”。

图1－1汤姆逊葡萄干蛋糕模型

从经典物理学的角度看，汤姆逊的模型是很成功的。它不仅能解释原子为什么是电中性的，电子在原子里是怎样分布的。此外，从汤姆逊模型出发，还能估计出原子的大小约为一亿分之一(10-8)cm，这也是一项惊人的成就。并且，汤姆逊还得出一个结论：原子中电子的数目等于门捷列夫元素周期表中的原子序数，这个结论是正确的。因此，在一段时间里，汤姆逊的原子模型得到了广泛的承认。然而葡萄干蛋糕模型存在理论上的困难，如对多电子原子要找到他们的平衡位置是极不容易的。因而在十多年后，终于被他的学生卢瑟福的有核原子模型所代替。
（二）卢瑟福的原子有核模型
卢瑟福是英籍新西兰物理学家，1895年他来到英国成为了汤姆逊的一名研究生。由于在放射性研究方面的出色成果，早在1908年他就获得了诺贝尔化学奖。
1909年，卢瑟福指导他的学生盖革、马斯登等进行了著名的α粒子散射的研究(见图1-2)。他们用α粒子去轰击很薄的金箔做的靶子的实验时，从大量的观察记录中，发现绝大多数α粒子直接穿过了金箔，居然约有八千分之一的α粒子偏转90°，甚至有少数被弹回来(约占总数的1/20000)。卢瑟福为此苦想了好几个星期，他说：“这是我一生中从未有过的最难以置信的事件，它的难以置信好比你对一张白纸射出一发15英寸的炮弹，结果却被顶了回来打在自己身上”。

图1－2 α粒子的散射图像 图1－3 卢瑟福的有核结构模型

经过严谨的理论推导，卢瑟福于1911年提出了原子的“有核结构模型” (见图1-3)。卢瑟福所设想的原子模型是这样的：原子内部并非是均匀的，它的大部分空间是空虚的，它的中心有一个体积很小、质量较大、带正电的核，原子的全部正电荷都集中在这个核上。带负电的电子则以某种方式分布于核外的空间中。有核模型能够很好地解释α粒子散射现象。由于原子核的个头儿很小，与原子相比，就好象一颗芝麻放在一幢大厦的中心一样。然而，它却占有了原子的几乎全部的质量(原子质量的99%以上)，所以根据计算，这样的一个核心堡垒将有足够的力量抵抗“入侵”的α粒子，并把那些敢于直接进攻核心的“入侵者”—— α粒子弹回去。按照卢瑟福的原子模型，只要α粒子是正对着原子核撞过去的， 它们就有可能被原路弹回。而按照汤姆逊模型，这是不可思议的。  
原子不像葡萄干蛋糕了，而像有核的桃子或杏子。但是这个比喻也不够恰当，因为和原子中的情况相比，核在整个果子中所占的体积就显得太大了。更恰当一点的比喻是像个小小的太阳系，“太阳”是带正电的原子核，绕着“太阳”转的“行星” 就是带负电的电子。只是在这个太阳系里，支配一切的是强大的电磁力，而不是万有引力。
从汤姆逊模型发展到卢瑟福模型，标志着人类对原子结构的认识又迈出了一大步。尤其是原子具有带正电的核心这个结论被其后所有的实验所证实。但是这种简单的类似太阳系原子模型仍然面临着一系列事实的挑战——这就是原子的稳定性问题。
（三）玻尔的原子结构模型
20世纪的初期，在物理学的发展史上是一段魔术般的、令人生畏而又振奋的时期，到处充满着似乎是互相矛盾的事情：不但光既象粒子又象波动——具有波粒二象性，而且原子里面电子绕核旋转的形象也与事实统一不起来。而这一切，正是预示重大变革即将来临的象征。在卢瑟福原子模型遇到极大困难时，一位丹麦青年物理学家使这种原子模型转危为安，他的名字叫尼尔斯·玻尔。
卢瑟福的有核原子模型，其主要困难为不能解释原子的稳定性。根据已经知道的电磁运动的规律，电子在运动的时候会放出电磁波(能量)。因此，绕着原子核旋转的电子，因为能量逐渐减小，应当沿着一条螺旋形的轨道转动，离中心的原子核越来越近，最后碰在原子核上。这样一来，原子就被破坏了。实际上，原子很稳定，有一定大小，并没有发生这种电子同原子核碰撞的情况。这该怎样解释呢？
作为卢瑟福学生的玻尔，他相信原子有核结构的猜想是正确的，但又认为建立在实验基础上的卢瑟福模型同当代的物理学说是水火不相容的，这种矛盾并不表示卢瑟福模型不行，而是预示着在原子世界中存在着全新的物理规律，这种规律是经典物理学所不能解释的，必须从根本上另找出路。于是，他毅然决定不应该再把经典电磁理论的规律强加于原子。他想到了普朗克的能量子假说，他把有核结构的思想与能量子假说结合起来，对卢瑟福的模型加以修正，于1913年提出了他的原子结构能级模型，迈出了革命性的一步。
玻尔假设是在卢瑟福原子有核模型基础上提出的，内容是：
第一，原子内部的电子在绕原子核旋转时，只能在一些特定的轨道上运行，不能在其它轨道上运行；并且“规定”，电子在这些轨道上作加速运动时，既不吸收能量也不辐射能量。所以电子不会掉到原子核上去。一个轨道对应一个能量值，所以电子在原子内不能具有任意能量，只能具有特定能量。原子的能量是不连续的，这些分立的能量称之为“能级”。并且在离核较近的轨道上电子的能量较低，在离核远的轨道上电子的能量则较高。
第二，当电子从较高能级(能量为E1)跃迁到较低能级(能量为E2)时，它将会放出一个能量为hn的光子；反之电子若吸收一能量为hn的光子，将从能级E2跃迁到能级E1，且其光辐射的能量(hn)恰好等于这两能级的差值。即

其中h为普朗克常数，n为光子的频率。
玻尔的假设保留了卢瑟福模型的合理部分, 挽救了卢瑟福模型。按照玻尔的上述假设，可以很自然地解释原子的稳定性这一客观事实。
玻尔理论提出十年后，人们认识到原子里面的电子就其运动的基本特征来讲，完全不同于绕着太阳旋转的行星。此模型还没有完全摆脱经典物理学概念的束缚，把微观粒子(电子，原子等)看作是经典力学的质点，即与宏观世界的实物粒子等同看待。实际上根据量子力学理论，就电子运动的基本特征来讲，电子同其它微观粒子一样，具有波粒二象性，微观粒子的运动轨道我们不可能确切地知道，只能知道它们在核外某区域出现的可能性(即概率)，按照这种描述方式，电子象“云”一样地存在于核外空间中形成“电子云”，根本没有运行轨道的概念。
四、质子、中子的发现
随着量子力学的确立，原子的结构就彻底地弄清楚了。原于是由一个尺度非常小的原子核和核外的绕核旋转的电子组成。从1920年起，物理学家开始对原子核的结构进行了探索。当时人们已经从各方面的实验数据推算出，核的尺度约为10-14m。原子已是很小的微粒，在原子中的原子核这个小中之小的天地里，还会有什么更小的东西吗？
（一）质子的发现
元素的放射现象表明，原子核也是可以发生变化的。但是除了少数放射性元素，一般原子核并不发生变化。那么，能否用人工的方法使原子核发生变化，以便了解它的组成和规律呢？
1919年，卢瑟福首先做了用粒子轰击氮原子核的实验，实验装置如图2-1-9，容器C里有放射性物质A，从A射出的粒子射到铝箔F上，在F后面放一荧光屏S，用显微镜M来观察荧光屏上是否出现闪光。适当选取铝箔的厚度，使容器C抽成真空后，粒子恰好被F吸收而不能透过，于是在显微镜M中看不到荧光屏上的闪光。然后通过阀门T往容器C里通入某种气体，看看粒子能不能从气体的原子核中打出什么粒子。卢瑟福曾用不同的气体做了实验。当容器C里通入氮气后，卢瑟福从荧光屏S上观察到了闪光，他断定这闪光一定是粒子击中氮核后从核中飞出的新粒子透过铝箔打到荧光屏上引起的。卢瑟福把这种粒子引进电场和磁场中，根据它在电场和磁场中的偏转，测出了它的质量和电量，确定它就是氢原子核。

图1－4 卢瑟福人工核反应实验装置图

是不是还可以打破一些别的元素的原子核呢？他们改装了仪器，又做了不少实验。结果发现，用粒子射击氖、镁、硅、硫、氯、氩和钾，都会打出高速的氢原子核来。
原子核被打破了！在各种元素的原子核里面，都打出了氢原子核。这说明氢原子核是各种元素的原子核的重要组成部分。卢瑟福给氢原子核起了一个专门名字——质子，用符号表示。
粒子射中氮原子核，放出质子，那么氮原子核变成什么了呢？粒子又到哪里去了呢？这些问题，在当时人们还不太清楚。又过了几年才通过科学实验证明：粒子打到氮原子核里去了，在放出高速质子的同时，氮原子核变成了氧原子核。核反应方程为：

这是第一次实现的人工核反应。古时候的炼金术士早就想把一种元素转变成另一种元素，希望能点石成金，他们始终没做到。而如今，在卢瑟福的实验室中，第一次实现了这个古老的幻想。
卢瑟福成了质子的发现者。
人们猜测原子核是由质子和电子这两种“基本”粒子组成，电子被紧密束缚在原子核内部。不过，根据量子力学的理论，电子是不能被束缚在10-14m这样小的空间范围内的。因此，必须寻找别的解释原子核结构的模型。卢瑟福在晚年曾猜测还有一种“基本”粒子，它是由质子和电子组成。他的这一想法，在当时被认为是胡思乱想。
（二）中子的发现
1930年，约里奥·居里夫妇用高速粒子轰击核，发现了一种新的中性射线。这种中性射线的穿透本领极大。1932年1月18日他们报告了实验结果，把这种新射线解释为重(高能)光子。但这种光子的能量高到无法令人相信。卢瑟福对此激动地说：“我不相信他们的解释”。与此同时，卢瑟福的学生英国物理学家查德威克证实了铀核还放射一种类似γ射线，但贯穿力更强的辐射。查德威克马上想到上面提到的他老师的猜测。他认为这是由一种新的中性微粒组成的射线。他称这种新的中性微粒为“中子”(因为不带电，是中性的粒子)，从而发现了中子。查德威克因发现中子而荣获了1933年诺贝尔物理学奖。约里奥·居里则大为懊恼，错过了发现中子的机会，说：“一只煮熟了的鸭子，飞掉了。”
质子和中子的发现表明，原子核也有组成和结构。从而使人类对物质结构的认识深入到了核子阶段，人们确认原子核由质子和中子组成。质子和中子除了所带电荷不同外，其它各方面都很相像，因此物理学家把它们统称为核子。
虽然原子的大门被打开只有几十年，它引起的变化却胜过了人类历史的几千年。它标志着科学技术的发展进入了新的时代。
由原子中第一个分出来的是电子。自从掌握了电子运动规律，人类生活发生了巨大的变化！没有电子管就不会有无线电广播，更不用说电视了。还有电子计算机、自动控制、宇宙导航……这都是1897年发现电子以后的丰硕果实。因此，人们常说，20世纪是电子时代。
原子核被打开了，在原子的心脏里取得了更为宝贵的财富——原子核能。这将是取用不竭的新能源。所以人们又说，20世纪是原子能时代。
五、模型法成为揭示基本粒子组成的有力武器
人们一直在寻找组成物质的基本单元。
古人曾把原子看作是物质的基本单元。物理学家们认识了原子的结构之后，知道通常物质是由电子、质子、中子构成的，并且知道光子是传递电磁力的媒介子。20世纪30年代初期，人们普遍认为这4种粒子是基本的，即它们不是由更小的基元构成。于是把这些粒子统称为“基本粒子”。
4种基本粒子的图像尚在勾画之中，新的基本粒子的不断出现便破坏了这一简单的画面。人们先后从宇宙线中发现了电子的反粒子即正电子、缪()子、派(p)介子和一些奇异粒子。40年代中期之后，打碎基本粒子的有力工具----粒子加速器陆续发明和建成。物理学家们从此能在实验室里用人工方法实现各种各样的粒子的反应过程。从1953年发现反中微子起，陆续又发现了反质子、中微子、反中子、反西格马负超子、多种介子，以及很多基本粒子的变种(术语称共振态)等一大批新粒子，它们组成了庞大的基本粒子家族。这数百种粒子之间有什么联系？它们之中哪些是更基本的？基本粒子的概念随着物理学的发展而不断的变化着，人们的认识也在朝着揭示微观世界的更深层次不断地深入。
原子模型和原子核模型对于发现原子核和中子以及原子核的结构产生了重要的启示作用。那么类似的构思对研究更深层次物质微观结构的组成是否有重要作用呢？半个多世纪以来的高能物理发展史说明这个研究方法是十分有益的并且在夸克模型(标准模型)和发现六种夸克的研究上，取得了令人震惊的成果，从而肯定了构思物质组成模型是一种普遍有效的科学方法。
科学家们认识到所谓基本粒子(一般称为粒子)可分为轻子和强子两种，轻子指比介子轻的粒子，有正负电子、正负子和正反中微子。强子指重子和介子而言，重子指比介子重的粒子，有质子、中子和超子。大多数物理学家都认为这些粒子，至少强子，应当有其结构，由少数几种更基本的成分组成。那么这种结构是什么样的呢？
人们根据过去的经验，还是通过先构成合理的模型然后再进行实验比较好。早在1956年日本的板田昌一曾经提出强子是由质子、中子、超子及它们的反粒子组成的模型，能解释很多现象，但是他在解释重子的一些性质方面遇到了困难。为此，美国物理学家盖尔曼和奈曼在1961年提出了八重态模型。盖尔曼为了说明多重态结构的形成，提出强子由三种夸克组成的“夸克模型”(上夸克u，下夸克d，奇夸克s)，认为介子由正反夸克组成，重子由三种夸克组成。我国则习惯把“夸克”叫“层子”,意为是比电子、质子、中子这些基本粒子更下层的粒子。
利用夸克模型，能够较好地说明许多现象，而且还预言了一些未知粒子。比如夸克模型预言存在着一个新的粒子W-，以后的实验果真找到了这个粒子。1974年，美籍华裔物理学家丁肇中领导的一个小组和斯坦福加速器中心的B·里克特领导的另一个小组同时独立地发现一个新的粒子J/Y，这个粒子的发现证实了夸克的确存在。
既然夸克存在,那它在哪里呢?有人认为夸克像蹲监狱一样,被关在强子里面。强子就像一个口袋,夸克被关在里面,它可以在口袋里自由运动,但不允许离开口袋,要想把夸克从口袋里弄出来,必须提供极大的能量，但在目前还办不到。
尽管夸克还处在假设阶段，有些物理学家又开始考虑比夸克更下一层的粒子了。提出了许多可能的“亚夸克”模型，并引起许多学者对这类模型的广泛讨论。这是一个诱人的方向，但是，朝这个方向、究竟能有多大的突破?这种“无限分割下去”的思路是否对头？看来，摆在人们面前的还是一片未知的海洋，粒子世界的探索还有漫长的征程。
人类对物质结构的探索，只是在近两三百年里，特别是近百年里才进入科学阶段。物质构成的单元是夸克和轻子。这种认识的尺度分别缩小到原来的十亿分之一(相对于原子)合一万分之一(相对于原子核)。它向人们展示了科学发展的突飞猛进，同时也告诉人们：事物是不断发展的，认识是无止境的，对构成物质结构的最小单位的了解是不断深化的。这些认识直接影响着整个科学界，大大丰富了人们对物质世界的认识，因此衍生出许多学科和推动了技术的发展。
30年代以来，因与粒子物理研究成就有关而获诺贝尔奖的科学家就有30多位，其中包括华裔物理学家李政道、杨振宁和丁肇中。

第二节 化学元素周期律

一、元素
我们知道，氧分子是由氧原子构成的，二氧化碳分了是由氧原了和碳原子构成的。无论氧分子中的氧原子，还是二氧化碳中的氧原子，都是同一类的原子，核电荷数都是8，即核内质子数都为8，我们奖其统称为氧元素。氧气和二氧化碳两种物质中，都含有氧元素，通常所说的氮肥，如尿素、硝酸铵等，都是含有氮元素的肥料，钢铁、动物内脏、蔬菜中都含有铁元素。
那么什么是元素呢？元素就是具有相同核电荷数(即核内质子数)的一类原子的总称。
我们周围的世界里，物质的种类非常多，已超过三千多万种。但是，组成这些物质的元素并不多。到目前为止，已发现的元素有一百多种，这三千多万种的物质都是由这一百余种元素组成的。
元素可以分为金属和非金属两类。元素中约有五分之一是非金属（见图2-1），包括所有的气体，一种液体(溴)和数种固体(如碘)；五分之四是金属，金属元素除了汞(Hg)以外，全部都是固体（见图2-2～图2-4）。

图2-1 常见的非金属

图2-2 溴

图2-3 金属汞

图2-4  硅

在周期表中，梯形分界线附近的元素同时拥有金属和非金属的性质，称为半金属，例如硼和硅。
不同的物质，组成不同。地壳是由沙、黏土、岩石等组成，其中含量最多的元素是氧，其他元素含量从高到低依次是硅、铝、铁、钙等。
海洋占地球表面的71 %，其中含量最多的元素也是氧，其次是氢，这两种元素约占海水总量的96.5%。
水占人体体重的70%左右。组成人体的元素中含量最多的是氧，其次是碳、氢、氮。人体的元素组成与海水很接近，这也许是“海是一切生命的发源地”的一种证明。
太阳中最丰富的元素是氢，其次是氦，还有碳、氮、氧和多种金属元素。
人体中化学元素含量的多少直接影响人体健康。对健康的生命所必需的元素称为生命必需元素。这些元素在人体中的功能往往不能由别的元素来代替。大量的研究表明，人体必需的元素有30多种，除了含量较高的元素碳(C)、氢(H)、氧(O)、钙(Ca)等外，还有铁(Fe)、铜(Cu)、锰(Mn)、锌(Zn)、钴(Co)、碘(I)等微量元素。
人体中缺少某些元素，会影响健康，甚至引起疾病。例如，缺钙有可能导致骨骼疏松、畸形，易得佝偻病；缺锌，会使儿童发育停滞，智力低下，严重时会得侏儒症；缺铁，易得贫血症；缺碘会得甲状腺疾病等。但某些元素过量，也会导致疾病。如钙吸收过多，容易引起白内障、动脉硬化等；微量的硒可以防癌，但过量时则可能引发癌症。
人体里有这么多化学元素，就好像是一座化学工厂。这些元素主要是从食物中获得，所以，我们平时要注意饮食多样化，不挑食、偏食，才能保持身体健康。
二、同位素
你一定听说过重水吧。普通的水分子，是由一个氧原子和两个氢原子组成的。重水的分子，也是由一个氧原子和两个氢原子组成的。但组成重水的氢原子不是普通的氢原子，而是重氢，学名叫做“氘”。普通氢原子的原子核里只有一个质子，而重氢的原子核里除了有一个质子外，还有一个中子。可见，同种元素原子的原子核中，中子数不一定相同。
人们把质子数相同而中子数不同的同一元素的不同原子互称为同位素。把具有一定数目的质子和一定数中子的一种原子叫做核素，如、、，就各为一种核素，这三种核素均是氢的同位素。这里的“同位”是指这几种核素的质子数(核电荷数)相同，在元素周期表中占据同一个位置的意思。
许多元素都具有多种同位素。同位素有的是自然存在的，有的是人工的制造的，有的有放射性。氧元素有、、三种同位素；碳元素有、、三种同位素；铀元素有、、等多种同位素等等。许多同位素在日常生活中、工农业生产和科学研究中具有很重要的用途。例如，可以利用、可制造氢弹；是制造原子弹的原料，也是核反应堆的燃料；放射性同位素还用于金属制品探伤，抑制马铃薯和洋葱等发芽，延长贮存保鲜期等；在医疗上，可以利用某些核素放出的射线治疗癌症等。
用同位素测定发掘物的年代是考古研究中的一种重要的方法。我们怎样才能知道古埃及木乃伊的年龄呢？可以通过测定其中含有的放射性物质碳—14中的一半就转化为别的物质，根据碳—14的半衰期以及它在发掘物中的残留量，就可以推算出这种发掘物的年代。碳—14是碳的一种放射性同位素，它的半衰期为5730年，即每过5370年碳—14上的一半就转化为别的物质。根据碳—14的半衰期以及它在发掘物中的残留量，就可以推算出这种发掘物的年代。
科学家在研究化学反应时，常常利用同位素示踪的方法，确定反应的步骤。例如，磷是植物正常生长必需的微量元素。一种植物在吸收非放射性磷的同时也能吸收土壤中的放射性磷—32，利用磷—32发出的射线，生物学家就能知道磷作用在植物的什么部位和怎样利用磷。
同一元素的各种同位素虽然质量数不同，但它们的化学性质基本相同。在天然存在的某种元素里，不论是游离态还是化合态，各种同位素所占的原子百分比一般是不变的。我们平常所说的某种元素的相对原子质量，是按各种天然同位素原子的占的一定百分比算出来的平均值，这也是元素周期表中相对原子质量不是整数的原因。例如氯元素有、两种同位素，且各占75%和25%，所以氯的相对原子质量为：35×75% + 37×25% = 35.5。
三、元素周期律
有一则流传甚广的灯谜：谜面是“金银铜铁”，打一地名，谜底是“无锡”。“金银铜铁锡”是人们最熟悉，也是发现最早、应用最早的金属元素，此外，汞、铅、碳、硫等也是最为古人所知的元素。炼金术兴起时，人们发现了锌、砷、锑、铋等元素。18世纪，舍勒、拉瓦锡借助天平这一工具，定量的研究化学反应，用燃烧实验法先后发现了氧、氮、氢等元素。1807年，戴维借用电解的方法先后现了钾、钠，后来又发现了镁、钙、锶、钡、硅、硼等；1860年，本生和基尔霍夫用光谱分极法发现了铯、铷、锂；1861年、1863年化学家用同样的方法又先后发现了铊、铟。到19世纪60年代，化学家已经发现了63种元素，并积累了一些关于这些元素的物理、化学性质的资料。63种元素，说多不多，说少不少。这些元素之间的联系是什么？有没有统一的逻辑规律？这是化学家的疑问，也是化学家迫切想知道答案的研究课题。可以说，寻找规律是人类的天性。自从道尔顿原子理论问世以来，化学家对于元素的性质与原子量间的关系就不断予以注意。1829年，德国人德贝莱纳根据元素性质的相似性提出了“三元素组”学说。他归纳了5个“三元素组”：

在每个“三元素组”中，中间元素的相对原子质量大致等于其他两种元素相对原子质量的平均值，有些性质也介于其他两种元素之间。但是，在当时已经知道的54种元素中，他却只能把15种元素归入“三元素组”，因此，不能揭示出其他大部分元素间的关系。但这却是探求元素性质和相对原子质量之间关系的一次富有启发性的尝试。
1864年，德国人迈耳发表了《六元素说》。在表中，他根据相对原子质量递增的顺序把性质相似的元素六种、六种地进行分组。但《六元素表》包括的元素并不多，不及当时已经知道的元素的一半。
1865年，英国人纽兰兹把当时已知的元素按相对原子质量由小到大的顺序排列，发现从任意一种元素算起，每到第八种元素就和第一种元素的性质相似，犹如八度音阶一样，他把这个规律叫做“八音律”。但是，由于他没有充分估计到当时的相对原子质量测定值可能有错误，而是机械地按相对原子质量由小到大排列，也没有考虑到还有未被发现的元素，没有为这些元素留下空位。因此，他按“八音律”排的元素表在很多地方是混乱的，没能正确地揭示出元素间内在联系的规律。
1869年，门捷列夫在继承和分析了前人工作的基础上，对大量实验事实进行了订正、分析和概括，成功地对元素进行了科学分类。他依据元素的性质和与其他元素的关系大胆的修正了某些元素的相对原子质量，还在根据性质排列元素时留下了几个空位，这样，元素性质随原子量递增而周期性变化的规律就非常清晰了。由此，他总结了“元素性质随着相对原子质量的递进而呈周期性的变化”的规律，这就是元素周期律。他还根据元素周期律编制了第一线元素周期表，把已经发现的63种元素全部列入表里。他预言了和硼、铝、硅相似的未知元素(门捷列夫叫它们为类硼、类铝和类硅元素，即以后发现的钪、镓、锗)的性质，并为这些元素在表中留下了空位。他指出当时测定的某些元素的相对原子质量数值可能有错误，根据周期律修正了铟(In)、铀(U )、钍(Th)、铯(Cs)等九种元素的相对原子质量。若干年后，他的预言和推测都得到了证实。门捷列夫的成功，引起了科学界的震动。人们为了纪念他的功绩，就把元素周期律和周期表称为门捷列夫元素周期律和门捷列夫元素周期表。
但由于时代的局限，门捷列夫未认识到形成元素周期律的根本原因。20世纪以来，随着科学技术的发展，人们对于原子的结构有了更深刻的认识。人们发现，引起元素性质周期性变化的本质原因不是相对原子质量的递增，而是核电荷数(原子序数)的递增，也就是核外电子排布的周期性变化。这样才把元素周期律修正为现在的形式，同时对于元素周期表也作了许多改进，如增加了0族等。
我们元素的性质随原子序数的递增而呈周期性变化的规律叫做元素周期律。
根据元素周期律，把电子层数目相同的各种元素，按原子序数递增的顺序从左到右排成横行，再把不同横行中最外层电子数相同的元素，按电子层递增的顺序由上而下排成纵行，就可以得到一个表，这个表就是元素周期表。
具有相同的电子层数的元素按照原子序数递增的顺序排列的一个横行称为一个周期。周期的序数就是该周期元素具有的电子层数。元素周期表有7个横行，也就是7个周期。除第一周期只包括氢和氦，第七周期尚未填满外，每一个周期的元素都是从最外层电子数为1的碱金属元素开始，逐渐过渡到最外层电子数为7的卤族元素，最后以最外层电子数为8的稀有气体元素结束。前三周期含有的元素较少，称为短周期；后三周期含有的元素较多，称为长周期；最后一个周期还没排完，称为不完全周期。
第6周期中，57号元素镧(La)到71号元素镥(Lu)，共15种元素，它们原子的电子层结构和性质十分相似，总称为镧系元素。第7周期中，89号元素锕(Ac)到103号元素铹(Lr)，共15种元素，它们原子的电子层结构和性质也十分相似，总称为锕系元素。为了使周期表的结构紧凑，将全体镧系元素和锕系元素分别按周期各放在同一个格内，并按原子序数递增的顺序，把它们分两行另列在表的下方。在锕系元素中92号元素铀(U )以后的各种元素，多数是人工核反应制得的元素，这些元素又叫做超铀元素。
周期表中有18个纵行。除第8.9.10三个纵行叫做第Ⅷ族外，其余15个纵行，每个纵行标作一族。族有主族和副族之分，由短周期元素和长周期元素共同构成的族，叫做主族；完全由长周期元素构成的族，叫做副族。主族元素在族序数(习惯用罗马数字表示)后标一个A字，如ⅠA，ⅡA，......副族元素在族序数后标一个B字，如ⅠB，ⅡB，......
稀有气体在周期表中最右方的第18纵行，除氦外，其他元素的原子最外层都是8个电子的稳定结构，化学性质非常不活泼，在通常情况下难以与其他物质发生化学反应，故称为稀有气体或惰性气体，把它们的化合价看作为0，因而叫做0族。
虽然稀有气体不活泼，但是它们的用途非常广。氦气的比重比空气小，可被填充在飞船和气球中。氦、氖、氩还被用在激光器里。氩气还可以用在电弧焊接上。深海潜水员呼吸的气体是氦气和氧气的混合气体，可防止呼吸压缩空气的深海潜水员经常发生的“潜水病”，即血液中出现氮气的小气泡的现象。灯泡内充入惰性气体，可防止灯丝氧化烧断，广泛用于彩灯、广告牌、灯塔、相机的闪光灯等。炼钢炉内充入惰性气体，能避免钢水氧化，炼出优质钢。
元素周期表是元素周期律的具体表现形式，它反应了元素之间的相互联系的规律，是对元素的一种很好的自然分类，是我们学习和研究化学的一种工具。我们可以利用元素的性质，它在周期表中的位置和它的原子结构三者之间的密切关系，来指导我们对化学的学习和研究。

第三节 重要元素的性质及其周期性变化

元素周期律揭示了元素性质周期性变化的规律，使得我们有可能通过对有代表性的元素的性质与结构的分析，了解所有元素的性质。人们常用ⅠA族碱金属和ⅦA族卤素以及第三周期元素性质的作为运用元素周期律知识的范例。从第ⅠA族到第ⅦA元素性质的相似性和递变性中，可清楚的看到同主族元素性质的相似性及同一族元素从上到下金属性增强，非金属性减弱的规律；而第三周期元素性质的递变则清晰的反应了同一周期元素从活泼的金属开始，过渡到金属性、非金属性都不是很强的金属，再到非金属性很强的非金属元素，最后结束于惰性气体元素的规律。
一、碱金属
碱金属元素包括锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、铷(Rb)、铯(Cs)、钫(Fr)6种元素，构成周期系的ⅠA族。由于它们的氢氧化物都是易溶于水的强碱，所以称它们为碱金属元素。钫是一各放射性元素，对它的了解还很少。
碱金属原子的最外层有一个电子，次外层有2个或8个电子。因此，它们都是极易失去电子的活泼金属。碱金属元素由上至下电子层数逐渐增多，原子半径逐渐增大，失电子能力逐渐增逐渐强。在同一主族中，从上到下元素的金属性和活泼性逐渐增强。
钠是碱金属的代表，位于周期表里的第三周期族，它的原子序数为11，电子层排布为2，8，1。这种原子结构使钠极易失去最外层电子，形成+1阳离子。因此，钠是非常活泼的金属，易与活泼非金属单质如氯化合。
金属钠很软，可用小刀切割。切开外皮后，可以看到钠的“真面目”银白色，具有美丽的金属光泽。
钠是热与电的良导体，熔点97.81℃,沸点882.9℃，密度0.97g/cm3，比水轻，能浮于水面上。
钠与氧气反应生成白色的氧化钠，但氧化钠不稳定，会与氧气继续反应生成过氧化钠。钠与充足的氧气剧烈反应生成黄色的过氧化钠，过氧化钠比较稳定。所以，钠在空气中燃烧，生成的是过氧化钠，并发出黄色的火焰。

过氧化钠是淡黄色的固体，能与水、二氧化碳起反应放出氧气：

因此，过氧化钠可用在“氧立得”、呼吸面具和潜水艇里作为氧气的来源。
过氧化钠是强氧化剂，可以用来漂白织物、麦秆、羽毛等。
钠除了能与氧气直接化合外，还能与氯气、硫等很多非金属直接化合。例如，钠与硫化合时甚至发生爆炸，生成硫化物。

钠很容易和空气中的氧气和水起反应，，因此，在实验室中通常将钠保存在炼油里，以隔绝空气与水。
碱金属元素的原子，其最外电子层上都只有一个电子，它们具有与钠相似的化学性质。只是由于随着核电荷数的增加，碱金属元素的原子的电子层数逐渐增多，原子半径逐渐增大，失电子能力逐渐增强，从锂到铯，它们的金属性逐渐增强。因此，钾、铷、铯与氧气或水的反应，将比钠更剧烈。
钾与水的反应比