內容簡介:
教科書或實驗手冊裡前所未見的有趣、古怪,或可怕的科學故事
──亞馬遜書店年度百大編輯選書


為什麼甘地討厭碘?為什麼日本人要用鎘彈頭來殺酷斯拉?鐳怎麼會差一點毀了居禮夫人的名聲?還有,碲又為何會引發一場史上最怪異的淘金熱?

週期表是人類科學史上最傑出的成果之一,但在同時,它也是熱情、冒險犯難、背叛以及執著所換得的寶貴發現。《消失的湯匙》以迷人的故事,追蹤碳、氖、矽、金,以及週期表上其他每一個元素,探討它們在人類歷史、財經、神話、衝突、藝術、醫藥上,乃至發現它們的瘋狂科學家的生命中,曾扮演過的角色。

為什麼一點點的鋰,就有助於治療詩人羅威爾的瘋狂?鎵又為何會變成實驗室惡作劇的首選元素?《消失的湯匙》自有答案,它把科學與眾多經典的發明、研究、發現以及煉金術故事,融成一爐,從開天闢地,講到地老天荒。

化學週期元素表只是主軸,本書二十個章節,每章一個主題,談的是隱藏在日常生活表象底下為人所忽視的科學原理。書裡,更多的是故事,以及連結了歷史與文化的科學知識,並推展到人類未來的發展。讀者可藉以理解與日常生活飲食起居息息相關的化學常識,也可把這麼一張冰冷的週期元素表,轉化成充滿寶物與啟發的科學珍奇櫃。

週期表上每一個元素都有一則或有趣、或古怪、或可怕的故事。同時,週期表也是人類偉大的智慧結晶之一。它既成就了科學,也成就了一本故事書,作者將週期表的所有層次,一一剝開,就像解剖教科書裡一張張透明的切片圖,以不同的深度,述說著同一則故事。就最簡單的層次,週期表把世界上各種不同的物質都登錄起來,而這一百多種個性頑固的元素,組成了我們所見、所接觸到的世間萬物。此外,週期表的形狀也給了我們一些線索,透露這些不同個性的元素如何互動。在更複雜一點的層次,週期表裡頭擁有各種鑑識科學資訊的密碼,像是每個元素來自何方,哪些元素能分解或轉變成不同的元素等等。而且這些元素天生就會結合成動態的系統,好像有生命似地,而週期表有辦法預測這些動向。它甚至有辦法預測一些極端邪惡的元素走廊,住在這裡的元素能夠妨礙或摧毀生命。

週期表也堪稱人類學上的一大奇觀,反映人類一切的美好、才藝、和醜陋,以及我們如何與物質世界互動──一部撰寫得非常緊湊簡潔的人類史劇本。這些不同的層次,全都值得深究,我們可以從最基本的開始,然後漸漸向上,進入複雜的層次。而且,除了娛樂之外,這些週期表故事還提供我們一條了解它的新路徑,是教科書或實驗手冊裡從來沒有的。我們吃喝呼吸週期表;有人在它身上押注輸得慘兮兮;哲學家利用它來探索科學的意義;它會毒死人;它也會蘊釀戰爭。從週期表左手邊最頂端的氫元素,到那些窩藏在週期表底部,由人工製造、非地球天然存在的元素,你可以從中找到泡泡、炸彈、金錢、煉金術、政治小手段、歷史、毒藥、罪行以及愛情。甚至還能找到一點科學。

消失的湯匙典故:
鎵在室溫下雖然是固體,但它很容易塑造,因為它有一項特點:在華氏84度就會熔化。於是產生了一個經典的科學家惡作劇:把鎵做成湯匙狀,放在一杯熱茶邊,端給你的客人,然後你就可以準備欣賞客人驚嚇的模樣──伯爵茶竟然把湯匙吃掉了!)



作者簡介:
山姆‧肯恩Sam Kean
小時候花了好多年在收集破溫度計裡流出來的水銀,以優異的物理與英文科成績畢業於明尼蘇達大學。曾於約翰霍普金斯大學修習寫作課程,並取得美國天主教大學圖書館科學的碩士學位。他也曾花了四年時間教授大學生與高中生,讓他對如何向大眾解析科學觀念更顯駕輕就熟。如今他已成為華盛頓特區的專業作家。他的作品散見《紐約時報雜誌》(New York Times)、《心理牙線》雜誌(Mental Floss)、《Slate》線上雜誌、《史密斯航太雜誌》(Space/Smithsonian)以及《新科學人》(New Scientist)雜誌。2005 年取得美國科學促進會院士(American Association for the Advancement of Science AAAS Fellow) 榮銜。也是DCWA科學寫作協會會員(DC Science Writer's Association)。2009年,他榮獲美國科學作家協會頒給三十歲以下最佳科學作家的Evert Clark/Seth Payne獎座第二名。目前他在幫《科學》(Science)雜誌撰稿,同時,他還獲選為2009-2010年度的「米德柏利環境報導研究員」(Middlebury Environmental Journalism Fellow)。



譯者簡介:
楊玉齡
輔仁大學生物系畢業。曾任《牛頓》雜誌副總編輯、《天下》雜誌資深文稿編輯,現專任自由翻譯寫作,以科普書籍為主。著作《肝炎聖戰》(與羅時成合著)榮獲第一屆吳大猷科普創作首獎金籤獎、《台灣蛇毒傳奇》(與羅時成合著)榮獲行政院新聞局第二屆小太陽獎;譯作《生物圈的未來》榮獲第二屆吳大猷科普譯作首獎金籤獎、《大自然的獵人》榮獲第一屆吳大猷科普譯作推薦獎、《雁鵝與勞倫茲》榮獲中國大陸第四屆全國優秀科普作品獎三等獎。



內文試閱:



身為一九八○年代初的小孩,我老是在嘴裡有東西時說話──可能是正在吃東西、看牙醫,或者吹氣球等等。就算身邊沒有別人,我還是照說不誤。由於有這個毛病,我生平第一次在沒人陪伴下含著溫度計時,迷上了週期表。小學二、三年級期間,每年我都會染上咽喉炎大約十來次,每次喉嚨都會腫痛個好幾天。我可不在乎請病假賴在家裡,我會用香草冰淇淋自療一番。再說,生病總是給我一個大好機會,可以打破以前那種老式的水銀溫度計。

人躺著,舌頭下面含著一根玻璃棒棒,我會大聲回答一個想像中的問題,然後溫度計就應聲落地,在硬木地板上摔個粉碎,裡頭的液態水銀像滾珠般,四散奔逃。不久,母親就會強忍著髖關節炎的痛楚,蹲在地板上收集那些小滾珠。她會拿一根牙籤,好像曲棍球桿似地,將這些柔軟的小球體一一驅趕到幾乎相碰觸。這時,突然之間,只要最後輕輕一下撩撥,某個小球就會吞噬另一個小球。原本有兩顆小球的地方,只剩下一顆完整無瑕的新小球,兀自顫動著。她會一再施展這套魔法,讓某顆大球吞噬其他小球,直到滿地銀色的小豆豆全部重逢為止。

等到把所有水銀球都收集起來後,她會從廚房擺放飾品的架子上,一隻拿著釣竿的泰迪熊以及一只紀念一九八五年家族聚會的藍色瓷杯之間,拿出一個裝藥片的綠色標籤塑膠瓶。她會先把水銀球滾入一只信封,再小心翼翼地將這支亡故溫度計的水銀,倒進藥瓶裡那顆像山核桃般大的水銀球上。有時候,在把瓶子藏起來之前,她會先把水銀球倒進瓶蓋裡,讓我們幾個小毛頭圍觀這塊未來金屬,看著它們在蓋子裡翻滾,分分合合,不留痕跡。對於那些「母親怕水銀怕到不敢讓小孩吃鮪魚」的孩子,我真替他們難過。中世紀的煉金術士垂涎的目標儘管是黃金,但是在他們眼中,天下最有力也最富詩意的物質,卻是水銀。兒時的我,絕對舉雙手贊成他們的看法。我甚至會和他們一樣相信,水銀超越了一切平凡無奇的分類,像是液態或固態,金屬或水,天堂或地獄;它帶有不屬於這個世界的靈氣。

我後來才發現,水銀之所以會這樣,因為它是一種元素。它和水(H2O)、二氧化碳(CO2),或是日常生活中的東西都不一樣,我們沒辦法將水銀分成更小的單元。事實上,水銀還屬於那種喜歡集體禮拜的元素:它的原子只願意和其他水銀原子做伴,而且它們會縮成圓球形,儘量減少與外界接觸。我小時候打翻的液體,多半都不是這樣。水會潑灑得到處都是,油啦、醋啦,以及未凝結的果凍也一樣。但水銀從來不會留下污漬。每當我打破溫度計,爸媽就會警告我趕緊把鞋穿上,以免被看不見的玻璃碎片扎傷腳。但是他們沒警告過我要小心水銀。

有好長一段時間,我在學校或是看書時,都會特別留意這個原子序為八十的元素,就好像一般人在看報時,會留意兒時老友的名字。我生長在美國中西部大平原,上歷史課時學到路易斯(Meriwether Lewis)與克拉克(William Clark)如何率領探險隊長途跋涉,穿越南達科塔州以及路易斯安那地區。他們隨身攜帶了一台顯微鏡、羅盤、六分儀、三只水銀溫度計以及其他用具,而我不知道的是,他們其實還帶了六百個水銀通便劑,每一個都有阿斯匹靈的四倍大。這種通便劑被稱做拉許醫生的膽汁丸(Dr. Rush’s Bilious Pills),名字來源的拉許(Benjamin Rush)醫生是美國獨立宣言簽署人之一,也被視為醫學英雄,因為他在一九七三年黃熱病大流行期間,勇敢地留守疫區費城,沒有撤離。不論治療哪一種病,他最喜歡用的都是氯化汞口服劑。雖說醫學在一四○○到一八○○年間進步很大,然而那個時代的醫生還是比較接近傳統的巫醫。按照他們的推想,美麗誘人的水銀可以醫治病人,因為它能大大危害病人──所謂「以毒攻毒」是也。拉許醫生要病人服用這種溶液,直到流口水為止,病患在接受這種療法幾週或幾個月後,通常牙齒和頭髮都會脫落。毫無疑問,他的「療法」一定毒害或毒死了許多原本可以撐過黃熱病的人。即便如此,在費城練就這套療法的他,十年後又準備了一堆包裝好的藥丸樣品,讓探險隊的路易斯與克拉克隨身攜帶。這倒是發揮了一項意想不到的功效:拉許醫生的藥丸竟然能引導現代考古學家追蹤當年探險隊的紮營路線。由於野外的食物和飲水可能都有問題,探險隊裡有人老是想嘔吐,在許多他們挖做便坑的地方,直到今天還可以找到水銀的遺跡,想必正是拉許醫生的「雷霆夾」(thunderclappers,膽汁丸的別稱)發功的結果。

水銀也出現在科學課堂上。我第一次看到龐大的週期表,馬上就開始搜尋水銀,但卻遍尋不著。原來它在金元素和鉈元素之間,前者和它一樣緻密而柔軟,後者和它一樣有毒。但是水銀的化學符號是Hg,這兩個字母甚至不包含在它的英文名字mercury裡面。原來Hg源自拉丁文hydragyrum,意思正是水銀(water silver)。知道這層典故後我才明白,古代的語言和神學對週期表的影響有多大,直到現在你還可以看到一些拉丁文名字出現在最底排比較新的超重元素上。

在文學課堂上,我也找到了水銀。以前的製帽商人曾經用一種亮橘色的洗劑,來剝離動物皮毛與下層的生皮,而做帽子的人整天在冒著蒸氣的大桶邊打打撈撈,就好像《愛麗絲夢遊仙境》裡的瘋狂帽商,會漸漸失去頭髮與頭腦。最後我終於明白水銀的毒性有多強。而這也解釋了,為何拉許醫生的藥丸可以把腸道清理得這麼徹底:身體會主動將毒物排出體外,包括水銀在內。而且儘管吞水銀已經夠毒了,它的蒸氣更要命。水銀蒸汽會磨損人體中央神經系統裡的「線路」,在腦袋裡燒灼出一些小洞洞,就像阿茲海默症末期病人的腦袋般。

然而,對水銀的危險知道得愈多,它那毀滅性的美就愈富吸引力──正如詩人布萊克(William Blake)的著名詩句「老虎!老虎!熾熱地燃燒」(Tyger! Tyger! Burning bright)。經過這麼多年,我父母早就重新裝修過廚房,也拿掉了當年架子上的泰迪熊與馬克杯,但是他們把所有小擺設收集在一個紙盒裡。最近有一次我回老家,特地翻出那個綠標籤的藥瓶。打開來,輕輕地搖晃,可以感覺到瓶內的重量沿著圓周滑動。偷偷地從瓶口窺探,我的眼光停留在一群散落的小珠子身上。只見它們端坐著,閃閃發光,像露珠似地,如此完美,彷彿來自幻境。我在整個童年期裡,總是把打翻的水銀與發高燒聯想在一起。如今,知道這些小球的「恐怖的對稱」(fearful symmetry。譯按:出自布萊克的同一首詩作),我不禁背脊發涼。

* * *


從水銀這一個元素身上,我學習了歷史、詞源學、煉金術、神話、文學、毒物檢驗學以及心理學。1而我蒐羅到的元素故事可不是僅止於此,尤其在我進大學投入科學研究之後,遇到了幾位非常樂意偶爾不談研究、聊點科學閒話的教授。

身為心底渴望逃離實驗室去寫作的物理系學生,我發覺置身於班上聰穎的年輕科學家之中,日子甚是難過。他們都熱愛正統的實驗,而我怎麼也做不來。我在天寒地凍的明尼蘇達州捱了五個年頭,最後領到物理學榮譽學士學位,然而,儘管我在實驗室裡耗掉幾百個小時,記憶了幾千條方程式,畫過幾萬個滑輪組與斜坡圖形──我真正學習到的,還是來自那些教授所講的故事。甘地的故事,酷斯拉的故事,某個優生學家利用鍺元素偷到一座諾貝爾獎的故事。把鈉塊投入河中炸魚的故事。太空梭裡的人在被氮氣窒息死亡前,心中卻充滿了幸福感的故事。還有我們學校以前一名教授拿自己來做實驗的故事:他把以鈽做為動力的心臟節律器#裝進自己的胸腔#,然後靠著撥弄一只巨大線圈讓它加速或減速。

我對這些故事總是聽得津津有味,最近,當我正一邊吃早餐一邊緬懷水銀時,我忽然了解到,其實週期表上每一個元素都有一則或有趣、或古怪、或可怕的故事。同時,週期表也是人類偉大的智慧結晶之一。它既成就了科學,也成就了一本故事書,而我寫下這本書,將週期表的所有層次一一剝開,就像解剖學教科書裡一張張透明的切片圖,以不同的深度,述說著同一則故事。就最簡單的層次而言,週期表登錄了世界上所有不同的物質,而這一百多種個性頑固的元素,組成了我們所見、所接觸到的世間萬物。此外,週期表的形狀也給了我們一些線索,透露這些不同個性的元素如何互動。在更複雜一點的層次,週期表裡頭藏有各種鑑識科學資訊的密碼,像是各個元素來自何方,哪些元素能分解或轉變成不同的元素等等。而且這些元素好像有生命似的,天生就會結合成動態的系統,而週期表有辦法預測種種動向。它甚至有辦法預測一些極端邪惡的元素走廊,住在裡頭的元素能夠妨礙或摧毀生命。

最後,週期表也堪稱人類學上的一大奇觀,反映人類一切的美好、才藝和醜陋,以及我們如何與物質世界互動──一部行文非常緊湊簡潔的人類史劇本。這些不同的層次,全都值得深究,我們可以從最基本的開始,然後漸次向上,進入複雜的層次。而且,除了娛樂之外,這些週期表故事還提供我們一條了解它的新路徑,是教科書或實驗手冊裡從來沒見過的。我們吃喝呼吸週期表;有人在它身上押注輸得慘兮兮;哲學家利用它來探索科學的意義;它會毒死人;它也會蘊釀戰爭。從週期表左邊最頂端的氫元素,到那些窩藏在週期表底部,由人工製造、非地球天然存在的元素,你可以從中找到泡泡、炸彈、金錢、煉金術、政治小手段、歷史、毒藥、罪行以及愛情。甚至還能找到一點科學。



第一部定位:列與列,欄與欄

第一章地理位置決定一切
氦、硼、銻、銩、氧、鈥



大多數人一想到週期表,腦海裡就會浮現高中化學教室牆上懸掛的一張大圖表,裡面有一堆不對稱的欄與列,從老師的肩上冒出來。這張圖表通常很大,六呎乘四呎左右,的確大得嚇人,但是也頗符合它在化學上的份量。全班第一次看到它,是在九月初開學的時候;但直到隔年五月,它還是主角,而且考試的時候你大可以去查上面的科學資料,這點與一般筆記或教科書大不相同。當然,你可能還記得,週期表最令你氣餒的部分原因也在這裡:儘管它任君查看,是一張超大的合法小抄,但是對你的考試成績卻幾乎幫不上一點忙。

就某方面來說,週期表似乎很有條理,也很精準,簡直就像是德國人設計的科學用途最大化圖表。但就另一方面來說,它卻又這麼地雜亂,充斥著長串數字、縮寫符號,以及一堆活像電腦亂碼的東西([Xe]6s24f15d1),讓人看了想不焦慮都難。而且,雖然週期表與其他科學(例如生物學與物理學)顯然也有關連,可是又不清楚關係到底在哪裡。而最讓一般學生氣惱的,恐怕是那些週期表達人了,他們真的#曉得#週期表是怎麼回事,信手拈來就能從中看出諸多事實。這種氣惱,想必就像色盲的人看到別人有辦法從雜色斑點圖裡辨認出數字──那些關鍵但隱藏的資料,展現的方式從來就沒有連貫性。對週期表的回憶,往往讓人五味雜陳:迷人,喜愛,自卑,以及憎惡。

在教導週期表之前,所有老師都應該先把上頭雜七雜八的符號和數字拿掉,讓學生看看空白的週期表。

它看起來像什麼?有點像一座主城牆不夠平的城堡,彷彿皇宮裡的石匠尚未完工,還剩下左邊城牆以及兩端高聳的塔樓。它共有十八個高低不等的欄,以及七個水平方向的列,再加上最底部的兩行「飛機跑道」。這座城堡是由「磚塊」砌成的,而週期表第一樁從外表看不出來的事實就是,它的磚塊完全不能互換。每一塊磚塊就是一個#元素#,或說是一種物質(目前表上有一百一十二個已知元素,另外還有幾個位置尚未確定),任何磚塊如果沒有確切待在它的崗位上,整座城堡就會崩塌。這話一點都不誇張:如果科學家不知怎的,決定把某個元素放到另一個位置上,或是把兩個元素互換,整座大廈都會倒塌。

這座城堡在建築上還有另一個罕見之處:不同的區域,由不同的材料打造。也就是說,這些磚塊的材質不盡相同,而且特性也不盡相同。百分之七十五的磚塊為金屬材質,意思是說,它們都是冷冰冰的灰色固體,至少在人類習慣的溫度下是如此。城堡最東邊有幾欄裡頭有氣體。但在室溫下,只有兩種元素是液體,汞與溴。在金屬與氣體之間,差不多位在相當於美國地圖肯塔基州的地方,還有一些很難介定的元素,它們天生就不規則,因此擁有一些很有趣的特性,例如可以讓酸度增強幾十億倍,遠超過鎖在化學庫房裡的任何材料。整體而言,如果每塊磚都以它所代表的元素做成,這座元素城堡將會是一個嵌合體,有在不同時代加蓋的廂房與擴建部分。或者說得好聽一點,它就像是李伯斯金(Daniel Libeskind)所設計的建築,把看似不相容的材料組合成優美的整體。

我們不厭其煩地深究這座城堡的藍圖,原因在於一個元素的座標幾乎就能決定它所有的科學特點。因為對每一個元素來說,地理位置決定了它的命運。事實上,既然各位對週期表的長相已經有了初步概念,我可以換一個更有用的譬喻:週期表就像一張地圖。為了描繪得更仔細,我將由東往西來標註這張地圖,好好地拜訪其間的元素,不論是鼎鼎大名的元素,還是名不見經傳的元素。

我們先從最右邊第十八欄開始,這一組元素著名的稱號為「高貴氣體」(noble gas,也就是中文裡的「惰性氣體」或「鈍氣」)。#高貴#是一個很八股,聽起來有點滑稽的字眼,比較有倫理學或哲學的味道,而不像化學用字。而事實上,高貴氣體這個詞的確來自西方哲學發源地古希臘。繼希臘同胞留基伯(Leucippus)與德謨克利特(Democritus)提出原子的概念後,柏拉圖也發明了「元素」(element,希臘文裡是stoicheia)這個詞,泛指各種不同的物質小粒子。柏拉圖差不多是在西元前四○○年,也就是恩師蘇格拉底被處死之後,為了保命而逃離雅典,此後游走四方多年,撰寫哲學書籍,他當然並不了解元素在化學上的真正意義。然而,他要是了解的話,一定會選擇週期表最東邊那欄元素,尤其是排在第一位的氦,做為他的最愛。

柏拉圖在討論愛與欲的對話集《饗宴》(The Symposium)中,宣稱世間萬物都渴望尋得自己的補體,也就是失落的另一半。對於人來說,這意味的就是熱情與性愛,以及伴隨熱情與性愛而來的一切麻煩。此外,柏拉圖還透過對話來強調,抽象且不變的物質基本上要比到處鑽營和攪和的物質來得高貴。這也說明了為何他這麼喜歡幾何學,因為幾何學裡的理想圓形、方形物體,只存在理性的感知中。對於其他非數學的物體,柏拉圖發展出一套「理型論」(theory of forms),指稱萬物都存在於其理想型的陰影之下。譬如說,所有的樹都是某個理想樹型的不完美複本,而那完美的「樹性」是所有樹木渴望達成的。同樣的道理,世間的魚兒也有所謂的「魚性」,甚至連杯子都有它們的「杯性」。柏拉圖相信這些理型不只在理論上存在,而且實際上真的存在,即便是飄浮在天際之頂,超乎我們人類所能感知。也因此,他要是發現科學家開始在地球上變出一個理型氦元素,一定比任何人都震驚。

一九一一年,一名荷蘭裔德國科學家在用氦來冷卻水銀時發現,在攝氏零下二六八‧九度以下,該系統會失卻所有電阻,成為一個理想的導體。這項發現有點像是你把iPod冷卻到零下幾百度,結果發現只要氦能保持電路冷卻,不論音樂播放多久或是多大聲,電池始終滿載。一九三七年,一個蘇聯加拿大聯合研究小組也利用純氦耍了一招更厲害的把戲。當溫度被降到攝氏零下二七一‧一度時,氦就變身為一種超流體(superfluid),流動起來一點黏性與阻力都沒有,是一種完美的流質。超流體氦能夠抗拒地心引力,往上坡流動,爬上牆壁。在當時,這些都是令人目瞪口呆的大發現。科學家常常喜歡便宜行事,把各種效應(例如摩擦力)假設為零,但此舉只是讓計算簡單一點而已。甚至連柏拉圖都不曾預言,有朝一日真的會發現一個他所謂的理型。

氦是這麼一個最佳的「元素性」典範──用尋常的化學手段無法破解或改變的物質。科學家花了二千二百年,從西元前四○○年的古希臘開始,直到西元一八○○年的歐洲,才終於了解元素是什麼,因為大部分元素都太善變了。當碳存在幾千種化合物中,而且這些化合物特性各不相同時,我們實在很難看出是什麼特性讓碳之所以為#碳#。現在我們會說二氧化碳不是一種元素,因為一個二氧化碳分子可以分解成碳與氧。但碳與氧卻都#是#元素,因為你沒有辦法在不摧毀它們的前提下把它們分得更細。現在,我們再回頭來討論《饗宴》的主題,以及柏拉圖尋覓失落另一半的理論,我們會發現,確實每個元素都在尋求能與它們形成連結的原子,而連結能遮住它們的本性。即便是最「純」的元素,例如空氣中的氧分子(O2),在自然界中也總是以混合物的姿態存在。然而,科學家要是能早一點認識氦,可能會大大提早對元素的了解,因為氦從不與其他物質攪和,而且一向以純元素的狀態存在。

2

氦會有這種表現是有原因的。所有原子都具有帶負電的粒子,稱為電子,它們居住在原子內的不同階層(或說能階)上。這些階層是以同心圓的方式層層包裹,而且每一層都需要特定數目的電子才會感到滿足。在最內部的階層,需要的特定電子數目是二。在其他層次,通常是八。一般說來,元素具有的帶負電粒子(電子)與帶正電粒子(也就是質子)數目相等,所以它們才會是中性的。不過,電子可以被原子隨意交易,而且當原子失去或得到電子時,會成為帶有電荷的原子,稱做離子。

關於原子,有一件事不可不知:原子會儘量先用自己的電子去填滿較內、較低能量的階層,接下來,它們要嘛甩掉一些電子,或是與其他原子共用一些電子,或者乾脆偷一些電子,好讓最外圍的階層保有最適數目的電子。有些元素會用外交手腕來共用或交易電子,有些元素的行為則非常卑劣。其實只要一句話,就可以道盡半部化學:最外圍的電子數目要是不足,原子們會彼此爭鬥、交換、乞求、結盟或打破結盟,甚至不惜一切手段,以求讓自己的最外階層達到適當的電子數目。

氦,也就是第二號元素,剛好擁有足以填滿它唯一階層所需的電子數目。這樣一個「封閉」的結構,讓氦擁有極大的獨立性,因為它不需要與其他原子互動,以求共用或偷竊電子來滿足自己。氦已經在自己身上尋到完整的愛情。不只如此,同樣的結構也出現在氦以下的整個第十八欄元素身上──氖、氬、氪、氙、氡。這些元素全都具有電子數目完整的封閉階層,所以在正常情況下,它們都不和其他原子打交道。這也是為什麼,儘管科學家在一八○○年代如此狂熱地搜尋並標記各種元素──包括發展出週期表,卻無人能在一八九五年之前分離出任何一個屬於第十八欄的元素。那股不食人間煙火的超脫氣息,和柏拉圖的理想幾何圖形多麼相像啊;它們想必能讓柏拉圖龍心大悅。也就因為這樣,發現氦以及它的鈍氣元素兄弟的科學家們,試圖用「高貴氣體」的稱謂來喚起大家的記憶。或是套用柏拉圖式的說詞,「凡是崇尚完美與不變,而且鄙視腐敗與卑劣的人,顯然都將偏愛高貴氣體遠勝其他元素。因為它們永不改變,永不動搖,永遠不會像市井小民那般逢迎巴結其他元素。它們既廉潔又理想。」

然而,像高貴氣體這樣平靜的個性非常罕見。它左手邊的第一欄,就住著週期表上最活躍、也最有反應性的氣體鹵素(halogen)。而且你如果把週期表當成麥卡托航海圖那樣,圍成一圈,讓東邊碰到西邊,讓第十八欄碰到第一欄,位在週期表最西邊那群元素就更凶猛了,它們是鹼金屬(alkali metal)。與世無爭的高貴氣體等於是一塊非軍事區,周圍環伺著一群不安份的鄰居。

雖然就某方面來說,鹼金屬算是一般的金屬,但是它們在空氣或水中卻不會生銹或腐蝕,而是產生激烈反應消耗掉。此外它們也會和鹵素氣體互利結盟。鹵素最外層有七個電子,比所需要的八個電子少一個;而鹼金屬的最外層有一個電子,往內一層則有滿滿的八個電子。所以很自然地,鹼金屬會把多出來的一個電子丟給鹵素,分別造成帶正電與帶負電的離子,兩者之間於是形成很強的鍵結。

這種鍵結不斷發生,也因此電子成為原子裡頭最重要的成分。雖說組成原子核的質子與中子體積都遠大於電子,但電子幾乎占據了整個原子的空間,像雲一樣圍繞著一個很紮實的原子內核,也就是原子核。如果我們把一枚原子放大到和美式足球場一般大,富含質子的原子核將有如放置在五十碼線上(也就是球場正中央)的一顆網球。它的電子則好比大頭針的針尖繞著那顆網球飛馳──但速度之快,每顆電子每秒撞擊你的次數之多,足以讓你進不了球場:感覺起來,它們像是一堵實體的牆。於是乎,每當兩個以上的原子接觸時,深埋在內部的原子核都默不作聲;一切唯電子是尊。3

先簡單警告各位:請不要太執著於「電子彷彿一群個別的大頭針尖,飛快地繞著一個實體核心打轉」的影像。或是另一個更常見的行星繞日比喻,電子其實不見得會像行星般,環繞著原子核太陽打轉。拿行星來比喻是很好用,但是就像許多其他的譬喻,容易流於誇大不實,令一些知名科學家氣惱不已。

離子之間的鍵結,可以解釋為何鹵素與鹼金屬經常結合,氯化鈉(食鹽)就是一個很好的例子。同樣地,來自多帶了兩個電子的欄的元素(像是鈣),經常會找上來自缺了兩個電子的欄的元素(像是氧),好自行調整一番。這是最容易滿足雙方需求的方法。至於並非剛好互補的欄裡的元素,也可以根據同樣的法則來配對。兩個鈉離子(Na )可以接受一個氧離子(O-2),形成氧化鈉(Na2O)。而氯化鈣(CaCl2)也是基於這個原因形成的。總的說來,通常你只需要瞄一眼,弄清楚某些元素所在的欄以及帶的電荷,就可以料中它們會用什麼方式結合。規則全都明白地展現在週期表討喜的左右對稱中。

很不幸,並非整張週期表都這麼乾淨俐落。但是話說回來,某些元素就是因為不規則,反而更讓人想一探究竟。

* * *


有一則老笑話大意如下:一天早晨,一名實驗室助理衝進老闆的辦公室,儘管熬了一整晚做實驗,精神卻亢奮得不得了。他高舉一瓶冒著泡泡嘶嘶作響的綠色液體,宣布剛剛發現了一種宇宙溶劑。滿懷希望的老闆看了看玻璃瓶,問道:「什麼是宇宙溶劑呀?」助理語無倫次地說,「就是一種能夠溶解所有物質的酸!」

對於這則天大的好消息──如果屬實,這種宇宙酸將會是科學界的一大奇蹟,而且師徒倆都會變成億萬富翁──科學家思考了一會兒之後反問:「但是你怎麼可能用玻璃瓶來裝它呢?」

說得好。不難想像,路以士(Gilbert Lewis)要是聽到這段對話,會笑得有多尖酸。電子主導週期表,而對於電子的行為以及它們如何形成鍵結,沒有人解釋得比路以士更清楚了。以他在電子方面的研究,尤其他對於酸和鹼闡釋得格外清楚,一定會看出那名助理的宣稱有多荒謬。就比較個人的角度來說,教授的反問恐怕會讓路以士聯想起科學界的榮光是多麼變幻無常。

路以士一生漂泊,他生長在美國內布拉斯加州,一九○○年前後在麻州唸大學和研究所,然後跑到德國,投身化學家能斯特(Walther Nernst)門下做研究。事後證明,基於種種有道理或沒道理的原因,跟隨能斯特的日子太不愉快了,他才待了幾個月就返回麻州,想在學術界找份工作。但這樣還是不開心,於是他前往剛被美國征服的菲律賓,幫政府工作。上任時他隨身只帶了一本書:能斯特的大作《理論化學》(Theoretical Chemistry),為的是要窮數年之力,發掘書中所有大大小小的錯誤,並執意公開撰文指正。

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最後,路以士實在太想家了,於是回到美國,在加州大學柏克萊分校安頓下來,而且一待就是四十年,把柏克萊化學系打造成全世界最頂尖的化學系所。最後這句話聽起來好像是個快樂的結局,實則不然。關於路以士這個人,他可能稱得上是「有史以來沒能贏得諾貝爾獎的最佳科學家」,而他也深知這一點。沒有人被提名的次數像他一樣多,但是他那赤裸裸的野心以及吵遍全球的一長串紀錄,總是害得他拿不到足以獲選的票數。很快地,為了表示抗議,他開始辭去(或是被迫辭去)各項顯赫的學術頭銜與職位,最後變成一介憤世嫉俗的隱士。

路以士沒能拿到諾貝爾獎,除了個人因素之外,另一個原因在於他的研究廣度超過深度。他不曾有過特別驚人的發現,讓人睜大眼睛讚嘆的曠世傑作。相反地,他窮畢生之力來釐清原子裡的電子在眾多情境下如何運作,尤其是已知為酸或鹼的分子。一般說來,每當原子彼此交換電子以形成或是打破鍵結,化學家就會說它們起了「反應」。酸鹼反應所提供的電子交換範例,通常十分明顯且暴烈,而路以士的酸鹼研究最能說明交換電子在超顯微層次的意義,任何人都望塵莫及。

大約一八九○年之前,科學家都是把手指探進溶液裡點一下,來判斷一種溶液是不是酸或鹼,這實在不是一個安全的好辦法,而且也不夠可靠。過了幾十年後,科學家明白了,基本上酸就是質子的捐贈者。許多酸都含有氫這種簡單的元素,氫只有一枚電子繞著一個質子(氫原子核的全部組成)打轉。當氯化氫(HCl)這種酸與水混合時,會裂解成H+和Cl-。把帶負電的電子移除後,氫就只剩下一個孤單的質子,也就是H ,它會自個兒游開。像醋那樣的弱酸,會丟出好幾個質子到溶液中,但是像硫酸那樣的強酸,會讓溶液裡充滿質子。

路以士認為用這種方式來定義酸,對科學家的限制太多了,因為有些物質根本不需要靠氫就能表現得像酸一樣。於是,路以士轉移了典範。他不說是H 分裂出去,而是說Cl-攜帶電子潛逃。也因此,酸從質子的捐贈者,搖身變為偷竊電子的賊。相反地,與酸相對的鹼,像漂白劑或鹼水等,卻可能被稱為電子的捐贈者。他的定義除了更為全面之外,而且強調的是電子的行為,這一點也更符合週期表化學對電子的依賴。

路以士雖然早在一九二○、三○年代就已經提出這項理論,但直到現在科學家仍在嘗試如何利用他的理念,將酸的強度推到極致。酸的強度是以pH值來計算的,數值愈低,酸性愈強,而在二○○五年的時候,一名紐西蘭化學家研發出一種叫做碳硼烷(carborane)的硼基酸,pH值為負十八。要知道硼基酸有多酸,先得說明水的pH值為七,而我們胃液裡的高濃度氯化氫pH值為一。但是根據pH值異於尋常的估算方式,每降低一單位(譬如pH值從四降到三)代表酸性增加十倍。所以,從胃酸的pH值一開始,降到硼基酸的負十八,意味後者的酸性是胃液的「十的十九次方」倍。這個數值的原子如果堆疊起來,差不多可以上月球了。

還有一些更厲害的酸是以銻為基礎,而銻這種元素恐怕是週期表上最富傳奇色彩的元素了。5在西元前六世紀建造了「空中花園」的巴比倫國王尼布甲尼撒(Nebuchadnezzar),曾經用有毒的銻鉛混合物將宮殿牆壁漆成黃色。不久之後發生的怪事,恐怕並非巧合:他突然瘋了,跑到戶外野地裡睡覺,而且像牛一樣地啃食青草。差不多在同個時期,埃及婦女也把另一種含銻物質當成睫毛膏來使用,一方面是為了裝飾臉部,一方面也是為了增添自己的巫術能力,用邪惡的眼光來瞪視敵人。後來到了中世紀,僧侶們──更別提還有牛頓,也對銻元素的兩性特徵著迷不已,認定這種半金屬、半絕緣體的物體是雌雄同體。此外,銻藥丸也贏得了通便劑的名聲。和現代藥丸不同的是,這些硬邦邦的藥丸在腸胃裡不會溶解,而且又被認為價值不斐,所以人們會在糞便裡頭翻找,以便回收重新使用。有些家庭甚至有幸可以把這種通便劑當做傳家寶,父傳子,子傳孫。或許也是因為這個原因,銻在醫藥方面擔當了重責大任,雖然它其實是有毒的。莫札特或許就是因為服用太多銻來對抗高燒而送了命。

最後,科學家終於比較會處理銻了。到了一九七○年代,他們發現銻很善於將渴求電子的元素屯積在身邊,這項特性讓它成為打造特定酸的絕佳材料,最後得到的結果,就像氦超流體一樣驚人。將氟化銻(SbF5)與氟化氫(HF)混合,可以製造出一種pH值為負三十一的物質。這種超級酸的酸度是胃酸的十的三十二次方倍,蝕透玻璃就像水穿透紙張一般。你沒有辦法用玻璃瓶裝這種溶液,因為等它蝕透玻璃之後,就會開始溶解你的手。至於該如何回答笑話中教授的反問,答案是:可以裝在特製的鐵氟龍(Teflon)襯裡容器中。

不過坦白說,把含銻物質稱做世界上最強的酸,有作弊之嫌。其實氟化銻(電子竊賊)與氟化氫(質子捐贈者)本身就夠難纏的了。但是在讓它們變成超級酸之前,你得先加以混合,倍增它們的互補能力才行。它們只有在精心安排的狀態下,才能成為最強的酸。事實上,最強的單一的酸依然是碳硼烷(HCB11Cl11)。關於這種硼酸,有一句絕妙好辭:這是世上最強的酸,但#也是最溫柔#的酸。別忘了,酸會分成帶正電與帶負電的部分。就碳硼烷的例子,你會得到一個H ,以及剩餘成分(CB11Cl11-)所組成像籠子般細緻的結構。大部分酸的腐蝕性,之所以能穿透你皮膚的力量,都是來自帶負電的成分。但是這個硼酸籠子卻是世間最穩定的分子之一。它的硼原子是這麼地大方,願意分享電子,使得它幾乎像氦一樣穩定,且從來不會到處掠奪其他原子的電子而形成酸的強腐蝕性。

所以,不會溶解玻璃或是腐蝕銀行金庫的碳硼烷,到底有什麼能耐?有的,譬如說,它可以在汽油裡加上一個辛烷,也有助於維他命的消化。更重要的是,它具有化學「搖籃」的功能。許多與質子有關的化學反應,都不是非常簡潔、快速的交換,通常需要好幾個步驟,而質子會以十億分之一秒的百萬分之一的速度被運來運去──快到科學家根本弄不清楚發生了什麼事。然而,碳硼烷因為非常穩定以及不容易起反應,可以把大量質子灌進溶液裡,然後將其中的分子凍結在關鍵的中間點上。碳硼烷會抓住那些中間物質,把它們靠在一個柔軟又安全的枕頭上。相反地,含銻的超級酸則是一個恐怖的搖籃,因為它們會把科學家最想要觀察的分子撕個粉碎。路以士如果有機會看到他的電子與酸研究被應用在這些層面,想必會很開心,或許還能讓他陰鬱的晚年稍微快樂些。雖然路以士在一次大戰期間曾幫美國政府工作,且一做做到六十多歲,在化學方面貢獻卓著,但是二次大戰期間他卻沒有受邀參與曼哈頓計畫。這讓他非常怨恨,因為許多經他聘用才進入柏克萊的化學家,都受邀去建造世上第一顆原子彈,而且戰後也都變成國家英雄。反觀路以士,二次大戰期間無所是事,只能緬懷過去,甚至寫了一部傷感的庸俗小說,講述一名士兵的故事。一九四六年,他孤零零地死在自己的實驗室裡。

一般咸認,每天抽二十幾根雪茄、菸齡四十幾年的路以士死於心臟病發作。但是很難忽略的一樁事實是,在他死亡的那天下午,實驗室瀰漫著一股苦苦的杏仁味道──那是氰化物存在的象徵。路以士的研究會使用氰化氫,很可能是在他心臟病發作後,失手摔破一小罐氰化氫。但是話說回來,路以士當天稍早才和一名比較年輕、迷人的化學家對手共進午餐──這頓飯他原本是不想去的,此人不但已經拿到諾貝爾獎,而且也是曼哈頓計畫的特別顧問之一。很多人心底始終懷疑,恐怕就是這名地位尊崇的同事讓路以士心情紛亂。果真如此,他的化學設備對他來說既是方便,也是不幸。

除了位於西邊那群活潑的金屬,以及東岸的鹵素與惰性氣體之外,週期表中央還有一片「大平原」──從第三欄到第十二欄,稱為過渡金屬(transition metal)。坦白說,過渡金屬具有令人惱怒的化學性,因此很難說出它們的共通點──只除了一點:要小心。你瞧,像過渡金屬這種比較重的原子,對於如何儲存自家電子的彈性遠大於許多原子。和其他原子一樣,它們也有不同的能階(像是第一、第二、第三層等等),低階層也同樣被埋在較高階層的底下。而且它們也會與其他原子爭鬥,好讓最外圍的能階維持八個電子。然而,到底哪一層才算是最外圍,卻大有學問。

當我們在週期表中水平移動時,每個元素都比它左手邊的元素多出一個電子。鈉是第十一號元素,通常擁有十一個電子;鎂是第十二號元素,則有十二個電子;以此類推。然而隨著元素的體積愈來愈大,它們不只會把電子整理安置到不同能階,而且還會把電子存放在不同形狀的臥鋪上,這些臥鋪稱做殼層(shell)。但是,當我們橫越週期表,這些既無想像力又循規蹈矩的原子都是按照同樣順序來將電子填入能階與殼層。週期表最靠左手邊的元素,會把第一個電子放進一個圓球形的s殼層,體積很小,只能裝兩個電子──這一點解釋了為何左邊有兩欄比較高。在最初兩個電子之後,原子開始尋找更大的空間。跳過中央的那一大塊,位於右邊欄裡的元素開始把電子逐一塞進一個形狀有點像畸形肺臟的p殼層。p殼層能裝六枚電子,也因此,右邊有六個較高的欄。請注意,在橫跨週期表最頂端的那一列,兩個s殼層電子加上六個p殼層電子,總共是八個電子,正是大部分原子最外層想要擁有的電子數目。而且除了惰性氣體之外,這一列所有元素的外層電子都能夠被甩掉或是與其他原子起反應。這些元素的行為非常符合邏輯:每增加一個新電子,原子的行為應該就會跟著改變,因為它擁有更多能夠參與反應的電子。

現在來看令人氣惱的部分。過渡金屬出現在週期表第三到第十二欄的第四至第七行,而它們開始把電子填進可以容納十個電子的d殼層。(d殼層看起來就好像變形的動物汽球。)按照前面那些元素處理殼層的方式,你大概會以為過渡金屬將把每個額外的d殼層電子展示在最外層的能階上,好讓這個額外的電子能夠與其他原子起反應。實則不然,過渡金屬會把額外的電子藏起來,通常喜歡藏在其他階層的下方。過渡金屬這種破壞常規、偷偷埋藏d殼層電子的做法,看起來相當笨拙,而且違反直覺──柏拉圖一定不會喜歡。但這依然是大自然的傑作,我們也拿它們沒輒。

了解這道程序有一個好處。通常當我們在週期表上以水平方向移動時,過渡金屬每增加一個電子,行為應該也會改變,就像表上其他部分的元素。但由於過渡金屬等於是把它們的d殼層電子埋在一個錯誤的底層抽屜裡,使得這些電子都被遮住了。其他想跟過渡金屬起反應的原子,也都沒有辦法取得這些電子,結果造成那一列上的許多金屬元素都擁有同樣數目的外圍電子。於是它們表現出來的化學性也是同一個樣子。這也是為什麼,在科學上許多金屬看起來非常雷同,行為也非常雷同。它們全都是冷冰冰的灰色塊狀物,因為最外圍的電子階層讓它們沒有其他選擇,只能表現出一致的模樣。(當然,有時候被埋藏的電子也會突然冒出頭來,發生反應,更是徒增困擾。那就是為什麼某些金屬之間會出現輕微的差異,也是為什麼與它們相關的化學會讓人這麼氣惱。)

f殼層也是同樣地一團糟。f殼層始於漂浮在週期表下方的第一列金屬,這一群稱為鑭系元素(lanthanide)。(又名稀土元素,而且它們的原子序是從五十七到七十一,按理應該屬於第六列。它們之所以被隔離安置在底部,是為了讓週期表看起來苗條一點,也正常一點。)鑭系元素甚至把新增電子埋藏得比過渡元素還要深,通常是低了兩個能階。這意味著與過渡金屬群相比,彼此甚至更為相像,也因此幾乎完全沒有辦法加以區分。橫越這一列元素,就好像從內布拉斯加州開車到南達科塔州,完全不會意識到已經跨越了州界。

想在自然界裡找到一個純鑭系元素的樣品,是不可能的,因為它總是會遭到兄弟們的污染。有一個很著名的例子:新罕布夏州有一名化學家試著把第六十九號元素銩給分離出來,他先是用一個煮菜的大鍋子裝滿富含銩的礦砂,然後反覆地用化學方法和煮沸法來處理;這個流程每次都可以純化出一點點的銩。由於溶解需要的時間實在太長了,剛開始他每天只能處理一、兩個循環。然而他卻用手工操作,重覆這些磨人的程序多達一萬五千次,每次只能從數百磅的礦砂中篩選出幾盎司讓他滿意的成品。即使是這樣,最後的成品中還是有一點點來自其他鑭系元素的污染,因為它們的電子實在被埋得太深了,找不出一種化學方法能夠揪出來。

電子的行為主導了週期表。但是你若想深入了解元素,絕對不能忽略占原子總質量百分之九十九的部分──原子核。雖然電子乖乖遵守「最偉大的非諾貝爾獎得主科學家」訂定的法則,但原子核卻服從一位或許要算是「最不可能的諾貝爾獎得主科學家」的預測,這是一位女士,比起路以士,她學術生涯的漂泊程度有過之而無不及。

瑪麗亞‧戈佩特(Maria Goeppert)一九○六年生於德國。雖然她父親是家族裡第六代的教授,她卻很難說服大學錄取女性博士生,只好在各家學院之間遊走,儘量多聽一點課。好不容易,她總算在漢諾威大學拿到博士學位,當時她得在一群從沒見過的教授面前為自己的論文答辯。不令人意外的是,沒有推薦信,也沒有學界人際關係的她,即使拿到博士學位,依然沒有一家大學願意聘用她。她只能透過丈夫,拐彎抹角地進入學術圈,她先生梅爾(Joseph Mayer)是到德國訪問進修的美國化學教授。一九三○年,婚後被稱為梅爾夫人的她隨丈夫回到美國巴爾地摩,之後開始不請自來地跟著先生到處跑,一起工作,一起參加研討會。很不幸,大蕭條期間梅爾失業了好幾次,他們舉家遷往紐約,後來又遷到芝加哥。

大部分學校都容忍梅爾夫人這樣跟前跟後,和大家一起談科學。有些學校甚至會施恩給她一點工作做做,雖然都是不支薪,而且研究主題也都是刻板印象裡的「女性題材」,像是發掘色彩的成因等等。大蕭條結束後,她有好幾百位聰明的同僚都為了曼哈頓計畫而聚在一起,進行可能堪稱史上最為活躍的科學意見交流。梅爾夫人也有受邀,但還是一樣,只能參與一個比較外圍、沒什麼大用的計畫:利用閃光來分離鈾。毫無疑問,私底下她一定很生氣,但是由於太熱愛科學了,即便環境這麼差,她還是繼續做她的研究。二次大戰後,芝加哥大學終於開始把她當一回事,任命她為物理學教授。但是她雖然有了自己的辦公室,系上還是不付她薪水。

不過,有職位總是一個好的起步,她從一九四八年開始研究原子核,也就是原子最中心的要素。在原子核心,帶正電的質子的數目──也就是原子序(atomic number),相當於原子的身分證。換句話說,任何原子要是失去或增加一個質子,就一定會變成另一個不同的元素。原子通常不會失去中子,但是同一種元素的原子卻可能擁有不同數目的中子──這些原子變體稱做同位素(isotope)。譬如說,鉛二○四與鉛二○六具有相同的原子序(八十二),但是中子數目不同(一一二以及一二四)。科學家花了好多年,才弄清楚原子序和原子量之間的關係,但是一等他們弄懂後,週期表科學馬上豁然開朗。
當然,梅爾夫人對這些也很清楚,但是她的研究觸及一個更難了解的神秘現象,一個讓人誤以為很簡單的問題。天下最簡單的元素氫,也是含量最豐富的元素。第二簡單的元素氦,則是第二豐富的元素。在一個充滿美感次序的宇宙裡,第三號元素鋰,照理應該是含量第三豐富,以次類推。然而我們的宇宙可沒有這麼整齊。含量第三豐富是第八號元素,氧。為什麼會這樣呢?科學家或許會答道,因為氧具有一顆很穩定的原子核,所以不會裂解,或說「衰變」(decay)。但那只不過是把問題往後推──為什麼某些元素(例如氧)會有這麼穩定的原子核?

梅爾夫人和大部分同事不一樣,她看出這個現象有點類似惰性氣體的異常穩定。她提出的假設是,和電子一樣,原子核裡的質子與中子也是坐在殼層內,而且把原子核的殼層填滿,也同樣能帶來穩定性。從局外人的眼光來看,這項說法滿合理的,是一個很好的纇比。但諾貝爾獎可不是靠假設就能贏得的,尤其是那些連薪水都拿不到的女性教授。不只如此,這個想法還惹毛了核子科學家,因為化學流程與核子流程是各自獨立的。沒有理由相信,依賴成性、整天宅在家裡的中子和質子,也能做出和小巧、善變的電子一樣的行為,後者可是會為了迷人的鄰居而拋家棄子的。沒錯,大部分中子與質子不會這樣做。
然而梅爾夫人繼續探究她的預感,然後藉由把許多沒關聯的實驗兜在一起,證明了原子核果然具有殼層,而且確實會形成她所謂的魔數原子核(magic nuclei)。基於複雜的數學原因,魔數原子核不會像元素特性般,以規律的週期出現。魔數分別為二、八、二十、二十八、五十、八十二等等。梅爾夫人的研究證明了,在原子序為魔數的元素裡,中子和質子如何將自己安頓到高度穩定、對稱的軌域中。請注意,氧因為具有八個質子和八個中子,而成為雙倍魔數,也因此極端穩定──這也解釋了氧的含量為何這麼豐富。同時,這個模型還連帶解釋了,為何有些元素(像是鈣,原子序為二十)在地球上的含量高得不成比例,以及為何我們的身體裡有這麼多現成的礦物質,後者絕不是偶然的。

梅爾夫人的理論呼應了柏拉圖的想法,所謂美麗的形狀比較完美,而她的魔數模型,球體形的原子核,便成為所有原子核的理想型。相反地,介於兩個魔數之間的元素,含量就比較少了,因為它們形成的是醜陋的橢圓形原子核。科學家甚至發現,極端缺乏中子的鈥(holmium,第六十七號元素),會生出一個畸形、不穩定、「像橄欖球般的原子核」。根據梅爾夫人的模型(或是親眼見識過某人在球賽裡如何打橄欖球),你大概也猜想得到,鈥的橄欖球形原子核不會太穩定。而且,原子核被扭曲的原子不像電子殼層失衡的原子,沒辦法從其他原子那裡偷一點中子和質子,來平衡自己。於是,原子核奇形怪狀的原子(例如鈥)幾乎沒法形成,就算形成了也會馬上崩解掉。

這個原子核殼層模型是一個非常聰明的物理理論。也因此,若考量梅爾夫人在科學社群中岌岌可危的地位,當她發現自己的理論已經被另一位男性德國同鄉提出來了,毫無疑問必定非常氣餒。她有可能最後落得一點功勞都沒有。好在,由於雙方都是獨立提出這個想法的,而且當德國老鄉很大方地承認她的研究,並邀請她一起合作之後,梅爾夫人的學術生涯終於起飛了。她贏得了屬於自己的表揚,而且她和丈夫於一九五九年搬到聖地牙哥也成了最後一次遷徙。在加州大學聖地牙哥分校,她終於有了一份正式的支薪職位。不過,還是一樣,她始終甩不開那種半吊子科學家的印記。一九六三年,當瑞典科學院宣布她贏得自己專業領域裡的最高榮譽時,聖地牙哥的報紙竟然以下面這則標題來慶賀她的大日子,「聖地牙哥老媽贏得諾貝爾獎。」

但是,這些或許都是觀點問題。想想看,同樣輕浮的標題如果是拿來報導路以士獲獎,搞不好會讓他看得心花怒放呢。

橫向逐列閱讀週期表,可以知道許多有關元素的事,但那只是故事的開頭,而且還不是最精彩的部分。事實上,同一欄裡的元素,縱向的鄰居,關係遠較水平方向的鄰居來得親密。幾乎在每一種人類語文中,人們都是習慣從左邊往右邊閱讀(或是從右邊往左邊),但是在閱讀週期表的時候,從上往下讀,一欄一欄地讀,就像某種形式的日文,其實更有意義。這樣做,可以看出元素之間諸多隱藏的關係,包括出乎意料的競爭與敵對。週期表有自己的文法,仔細探究它的字裡行間,新的故事將一一浮現。

資料來源:http://www.taaze.tw/sing.html?pid=11304625190