門捷列夫，具有一頭飄逸的長(zhǎng)發(fā)，還有一把灰色的胡須，威武挺拔的姿勢(shì)，看起來(lái)更像是一名布道師，他曾經(jīng)獨(dú)自操縱一個(gè)籃子，掛在巨型氣球下升空。這是1887年的一天，他希望從最靠近、最有利的位古怪的俄國(guó)科學(xué)家門捷列夫發(fā)展了一種概念，叫做“周期表”，它幫助化學(xué)家認(rèn)識(shí)元素之間的系統(tǒng)性關(guān)系。置拍攝日食情景，這就意味著要有一個(gè)單人飛行氣球。面臨難得的日食，他可不想放棄，于是毅然一個(gè)人起飛，照過(guò)相后著陸，然而當(dāng)時(shí)他連最起碼的操縱方法都不知道。他行為夸張，但富有原則和勇氣，不怕懷疑和反對(duì)，不怕政治壓力，也不怕駕駛飛行器。作為一個(gè)西伯利亞土著人，他就像一個(gè)巫術(shù)師那樣，把化學(xué)家于18年前開(kāi)始陸續(xù)發(fā)現(xiàn)的元素整理得井然有序。1955年，在他死后近50年，他對(duì)化學(xué)和物理學(xué)的特殊貢獻(xiàn)獲得了完美的獎(jiǎng)賞：一種新發(fā)現(xiàn)的元素被命名為鍆，作為對(duì)他的紀(jì)念。

門捷列夫的母系也許有蒙古人的血統(tǒng)。他出生于一個(gè)大家庭，他是家中最小的一個(gè)孩子，他的祖父是西伯利亞第一份報(bào)紙的出版者，父親是當(dāng)?shù)刂袑W(xué)校長(zhǎng)，機(jī)靈的母親經(jīng)營(yíng)一家玻璃工廠。門捷列夫童年時(shí)曾從一位流放到西伯利亞的政治犯那兒學(xué)習(xí)科學(xué)。不幸的是，門捷列夫的父親在他十幾歲時(shí)就去世了，不久之后，母親的玻璃廠也毀于火災(zāi)。于是，當(dāng)大多數(shù)孩子都長(zhǎng)大后，1849年，母親帶著這個(gè)最小的孩子來(lái)到俄羅斯的大城市，以便讓他進(jìn)入大學(xué)。在圣彼得堡，在父親生前的一位朋友的幫助下，門捷列夫被大學(xué)錄取。

大學(xué)畢業(yè)后，門捷列夫于1859年去法國(guó)和德國(guó)讀化學(xué)研究生。在那里，他和本生（Robert Wilhelm Bunsen，1811—1899）一起工作，并在卡爾斯魯厄參加了第一屆國(guó)際化學(xué)會(huì)議，坎尼扎羅（Stanislao Cannizzaro，1826—1910）關(guān)于原子量的雄辯使他著迷。1861年他開(kāi)始在圣彼得堡大學(xué)任教，1866年被任命為技術(shù)化學(xué)教授。

有些科學(xué)家猜測(cè)，原子量的接近也許與元素間的相似性有關(guān)。例如，鈷和鎳的原子量如此接近，以至于大多數(shù)化學(xué)家當(dāng)時(shí)都無(wú)法區(qū)分它們，而且它們的特性又如此相似。但是這一假說(shuō)也存在問(wèn)題。以氯和硫?yàn)槔恿糠謩e大約為355和32，但一個(gè)是黃綠色氣體，一個(gè)卻是黃色固體——驚人的不同！于是，化學(xué)家開(kāi)始尋找另外的關(guān)系。一些化學(xué)家根據(jù)元素之間在特性上的相似性，多年來(lái)一直在琢磨一個(gè)“三和弦”的設(shè)想，或者把某些看來(lái)是一“族”的元素歸在一個(gè)類里。早在1817年，德貝賴納（Johann Wolfgang Dobereiner，1780—1849）就已經(jīng)注意到，某些相似元素組成的類里，原子量之間有某種相關(guān)性——處于中間位置那個(gè)元素的原子量等于其他兩個(gè)元素原子量的平均值。例如，在鈣、鍶和鋇這一“三和弦”中，鍶的原子量（當(dāng)時(shí)測(cè)定的是88），大體上是鈣（40）和鋇（137）的平均值。同樣地，鍶的熔點(diǎn)（800℃）也在鈣（851℃）和鋇（710℃）之間。鈣在化學(xué)反應(yīng)中相當(dāng)活躍，鋇更活躍，而鍶則介乎其間！據(jù)此還可列出元素的其他特性，表明鍶確實(shí)位于鈣和鋇的“中間”。這種“三和弦”關(guān)系很是迷人，其他科學(xué)家也參加了進(jìn)來(lái)。

1864年，倫敦的工業(yè)化學(xué)家紐朗茲（John Alexander Reina Newlands，1837—1898）第一個(gè)注意到，按原子量排序的元素表顯示出這樣一種模式：“從指定的元素開(kāi)始，第八個(gè)元素是第一個(gè)的某種重復(fù)，就像音樂(lè)里八度音階中的八分音符。”他稱這一發(fā)現(xiàn)為“八度音階定律”，但是，當(dāng)他在化學(xué)家的會(huì)議上宣布這一思想時(shí)卻遭到了嘲笑。有一位物理學(xué)教授福斯特（George Carey Foster，1835—1919）嘲笑說(shuō)，為什么不按字母排列，看看你會(huì)得到什么模式？紐朗茲的元素表固然有些錯(cuò)誤，但事實(shí)上他看出了一種有用的模式。而福斯特，盡管是一位能干的物理學(xué)家，卻因?yàn)榘l(fā)出嘲弄而使自己受到嘲弄——這個(gè)例子表明，一個(gè)今天看來(lái)似乎難以行得通的科學(xué)思想，也許可以引導(dǎo)出明天的新見(jiàn)解，考慮欠周的嘲弄回過(guò)頭來(lái)卻是對(duì)嘲弄者本人的嘲弄。20多年后，皇家學(xué)會(huì)頒給紐朗茲戴維獎(jiǎng)?wù)拢元?jiǎng)勵(lì)他的工作。

但是，針對(duì)元素排序的思想，門捷列夫的工作卻是最具創(chuàng)造性，并且得出了邏輯性最強(qiáng)的結(jié)論。門捷列夫喜愛(ài)一種單人紙牌游戲。于是，他把所有已知元素、它們的符號(hào)、原子量和特性標(biāo)注在卡片上。然后，他把它們分組排列。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，如果把它們按原子量的增加來(lái)排序，類似的特性就會(huì)周期性地出現(xiàn)。例如，他發(fā)現(xiàn)氫（原子量為1，在他的表上是第一位）、氟（表上第9位）和氯（第17位）相隔都是八位，跟紐朗茲的“八度音階”相似，具有相似的特性。他嘗試把所有具有相似特點(diǎn)的類放在同一個(gè)豎欄中，這樣他就得到了一個(gè)表，其中原子量從左上到右下逐漸增加。

但是門捷列夫的巨大膽量在于，當(dāng)元素不適合表中的位置時(shí)，就像玩單人紙牌游戲一樣，他意識(shí)到，也許沒(méi)有把所有的牌拿在手中——有些牌可能仍然在牌盒里。所以，如果有一個(gè)空缺需要具有某種特性的元素來(lái)填充（但無(wú)人知道有這樣的元素），他就在元素表中留一個(gè)空缺——它們還在紙牌盒里有待發(fā)現(xiàn)呢。他甚至還給其中一些起了名字：準(zhǔn)硼、準(zhǔn)鋁和準(zhǔn)硅。準(zhǔn)鋁位于鋁下面，準(zhǔn)硅位于硅下面。他還預(yù)言了它們的特性。這一工作發(fā)表于1869年，立刻被翻譯成了德文（在這方面他遠(yuǎn)比以前的其他俄國(guó)科學(xué)家來(lái)得幸運(yùn)，因?yàn)槎韲?guó)人的工作沒(méi)有及時(shí)得到翻譯，往往許多年后才被別人知道）。但是在歐洲，人們都認(rèn)為他是瘋子，甚至有人輕蔑地把他當(dāng)成俄國(guó)巫師。

元素留下的指印

正當(dāng)門捷列夫從事周期表的研究時(shí)，一件神奇的新工具分光計(jì)問(wèn)世了。事實(shí)證明，它不僅對(duì)化學(xué)家很有用處，而且對(duì)于天文學(xué)家和物理學(xué)家也很有用，今天依然如此。

這個(gè)想法最早出現(xiàn)于19世紀(jì)初一位年輕的光學(xué)技師夫瑯和費(fèi)（Joseph yon Fraunhofer，1787—1826）的身上。他是釉工的兒子，11歲時(shí)成了孤兒，給一位光學(xué)技師當(dāng)學(xué)徒。在一個(gè)悲慘的日子里，他居住的樓整個(gè)倒塌，他是唯一的幸存者。但幸運(yùn)的是，巴伐利亞的選帝侯馬克西米利安一世（Maximilian IJoseph，1756—1825）得知這一悲慘事件后，給予他足夠的錢，讓他自己開(kāi)業(yè)。

由于在工作中精益求精，夫瑯和費(fèi)為自己贏得了國(guó)際聲譽(yù)，有好幾位著名天文學(xué)家用上了他的棱鏡和光學(xué)儀器。1814年，當(dāng)他測(cè)試自己制作的透鏡時(shí)，用到了一只棱鏡——一個(gè)多世紀(jì)以前牛頓正是運(yùn)用棱鏡，把太陽(yáng)的白光分解成光譜中的各種顏色。當(dāng)夫瑯和費(fèi)這樣做時(shí)，他注意到有一些奇怪的黑線，似乎打斷了太陽(yáng)光譜——實(shí)際上他至少看到了600條黑線，有的寬些，有的窄些，把整個(gè)光譜分成了好幾部分。而當(dāng)時(shí)牛頓用的棱鏡質(zhì)量比較差，由于玻璃的缺陷，造成圖像模糊，因此沒(méi)有看到這些黑線。

夫瑯和費(fèi)知道，光譜中的每一種顏色都對(duì)應(yīng)于一種獨(dú)特的波長(zhǎng)。越接近光譜紫端，波長(zhǎng)越短，而更長(zhǎng)的光波處于紅端。夫瑯和費(fèi)注意到，光譜中顯著的黑線總是處于同樣的位置。這些奇怪的黑線就好像是某種標(biāo)志，它們肯定具有某些含義。他試著采用不同的光源——從太陽(yáng)直接發(fā)出的光和經(jīng)過(guò)月亮和行星反射的光，甚至星光。他發(fā)現(xiàn)，不同的星體似乎留下了不同的密碼，不同的指印。但是沒(méi)有人能夠破譯這些密碼，夫瑯和費(fèi)在1826年死于肺結(jié)核，享年只有39歲，他沒(méi)有能夠找到這些黑線的含義。為了紀(jì)念他，人們把那些光譜線稱做“夫瑯和費(fèi)線”。

半個(gè)世紀(jì)之后，海德堡大學(xué)物理學(xué)家基爾霍夫（Gustav Kirchhoff，1824—1887）和本生（Robert Wilhelm Bunsen，1811—1899）發(fā)明了一種他們叫做分光計(jì)的儀器——光線通過(guò)一條狹縫后再穿過(guò)棱鏡，狹縫控制光源，結(jié)果不同的波長(zhǎng)位于不同的位置，然后與標(biāo)準(zhǔn)刻度比較，就更易于區(qū)分和解釋。

基爾霍夫和本生用本生設(shè)計(jì)的特殊燃燈（這種燈本身光線微弱），把各種不同的化合物加熱到發(fā)光狀態(tài)。他們注意到，每種化合物發(fā)出的光都具有獨(dú)特的顏色標(biāo)志。例如，如果把鈉蒸氣加熱到發(fā)光狀態(tài)，就會(huì)產(chǎn)生一條雙黃線，這就是它的指印。一旦所有元素的指印都弄清，任何礦物或化合物——實(shí)際上就是任何物質(zhì)——經(jīng)過(guò)加熱其成分都可以用這個(gè)方法來(lái)分析。更重要的是，分光計(jì)還可以鑒別特別微量的元素。

1859年10月27日，基爾霍夫和本生第一次公布他們的發(fā)明，分光計(jì)不可避免地開(kāi)始一個(gè)接著一個(gè)地發(fā)現(xiàn)新元素。1860年5月10日發(fā)現(xiàn)銫，因?yàn)樗l(fā)射清晰的藍(lán)光而得名。第二年發(fā)現(xiàn)銣，紅色譜線道出了它的存在。新一輪元素開(kāi)始涌現(xiàn)。

1875年，一位名叫布瓦博德朗（Paul Emile Lecoq de Boisbaudran，1838—1912）的法國(guó)化學(xué)家，在研究來(lái)自比利牛斯山脈的一大塊鋅礦石時(shí)，發(fā)現(xiàn)一條他從來(lái)沒(méi)有見(jiàn)過(guò)的光譜線。他是在1859年首批進(jìn)入這一激動(dòng)人心的新領(lǐng)域中的研究者之一，在用分光計(jì)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)16年的搜尋之后，終于有了結(jié)果。他稱之為鎵（gallium），取自法蘭西的拉丁文“gallus”（也可能是取自他自己的名字，因?yàn)長(zhǎng)ecoq在法文中的意思是“公雞”，拉丁文正好是gallus）。當(dāng)門捷列夫讀到新元素的描述時(shí)，欣喜若狂。鎵的特性和他預(yù)言的準(zhǔn)鋁幾乎完全一樣！新元素很容易就放進(jìn)周期表中屬于它的位置。突然之間，每一個(gè)人都開(kāi)始認(rèn)真對(duì)待門捷列夫了。光譜學(xué)這一有力武器取得了勝利。

1879年發(fā)現(xiàn)另一種元素鈧（scandium，因斯堪的納維亞半島命名），它的特性幾乎完全適合門捷列夫給準(zhǔn)硼留下的位置。1886年發(fā)現(xiàn)的元素鍺（germanium，因德意志命名），填補(bǔ)了準(zhǔn)硅的空缺。至此，門捷列夫周期表得到了普遍承認(rèn)。他以一個(gè)優(yōu)秀科學(xué)家的工作方式，在似乎混亂無(wú)章的地方認(rèn)出了自然的秩序。

但是沒(méi)有人知道為什么存在這樣的秩序，以及這種周期性。這需要知道原子核和它的結(jié)構(gòu)，但19世紀(jì)科學(xué)家還沒(méi)有準(zhǔn)備放棄原子不可分的思想。隨著元素的數(shù)目在不斷增加，化學(xué)家似乎離他們最初所要發(fā)現(xiàn)的自然界的少數(shù)基本單元越來(lái)越遠(yuǎn)了。元素的數(shù)目很快超過(guò)了90。（20世紀(jì)和21世紀(jì)這個(gè)數(shù)目還會(huì)增加，許多新元素是核化學(xué)家發(fā)現(xiàn)的。）

在19世紀(jì)最后的5年中，著名英國(guó)物理學(xué)家斯特拉特（John William Strutt，1842—1919，更為人知的名字是瑞利勛爵）和他的助手，蘇格蘭化學(xué)家拉姆塞（William Ramsay，1852—1916，后來(lái)被封爵士）重復(fù)了100年前卡文迪什做的實(shí)驗(yàn)，這一次是用分光計(jì)。結(jié)果他們發(fā)現(xiàn)了氬。拉姆塞第二年又發(fā)現(xiàn)了氦，并且和特拉佛斯（Morris Travers，1872—1961）一起，發(fā)現(xiàn)了惰性（完全不起化學(xué)反應(yīng)）氣體氖、氪和氙。可是門捷列夫周期表沒(méi)有給這些元素留下空缺。這樣一來(lái)，周期表是否不再有效？不，回答很簡(jiǎn)單：這位偉大的紙牌游戲者在周期表的右側(cè)遺漏了一整條豎欄，這些元素正好放在這一欄里。

有機(jī)化學(xué)的誕生

就在道爾頓、戴維及門捷列夫成功改造無(wú)機(jī)化學(xué)的同時(shí)，另一個(gè)更為混亂的領(lǐng)域也在經(jīng)歷重大變革。1807年，貝采里烏斯把來(lái)源于生物體的一類化合物稱為有機(jī)物，而把不是來(lái)源于生物體的另一類化合物稱為無(wú)機(jī)物。他認(rèn)為，有機(jī)物的功能與無(wú)機(jī)物相比，受完全不同的規(guī)律控制，在許多方面差別極大。許多科學(xué)家，包括貝采里烏斯，假設(shè)這一差別來(lái)自某種“活力”的存在，這種活力僅與有機(jī)物相關(guān)，但只有生命體或曾經(jīng)的生命體中才能找到或產(chǎn)生這種有機(jī)物。從未有人曾從無(wú)機(jī)物中創(chuàng)造過(guò)有機(jī)物。按照貝采里烏斯的說(shuō)法，以后也不會(huì)有。

隨后在1828年的一天，貝采里烏斯的學(xué)生維勒（Friedrich Whler，1800—1882）正在實(shí)驗(yàn)室里對(duì)氰化物作研究，他給氰酸氨加熱。結(jié)果使他大吃一驚：他得到的化合物酷似尿素，但這在當(dāng)時(shí)看來(lái)是不可能的事情，因?yàn)槟蛩刈鳛槟蛞旱囊粋€(gè)組成部分，是哺乳動(dòng)物的含氮排泄物，無(wú)疑是有機(jī)物。維勒有些難以置信，于是，他再測(cè)試他所制備的物質(zhì)，證明確是尿素。1828年2月22日，他正式通知貝采里烏斯，他已從無(wú)機(jī)化合物中合成一種有機(jī)化合物。

貝采里烏斯是一個(gè)相當(dāng)固執(zhí)的人，他認(rèn)為氰酸氨本身可能就是有機(jī)物，而不是無(wú)機(jī)物。這樣一來(lái)，維勒的發(fā)現(xiàn)也許不那么確定。但是別的化學(xué)家卻被他的成就激勵(lì)，紛紛以其他無(wú)機(jī)化合物作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有機(jī)化合物的確可以由無(wú)機(jī)材料合成得到。1845年，科爾比（Adolph Wilhelm Hermann Kolbe，1818—1884）第一次成功地從化學(xué)元素直接合成了有機(jī)化合物（醋酸）。這說(shuō)明也許根本就不存在什么“活力”。

但是，如果真的不存在活力，為什么比奧（Jean-Baptiste Biot，1774—1862）在1815年發(fā)現(xiàn)，他在實(shí)驗(yàn)室里產(chǎn)生的酒石酸不能使光發(fā)生偏振（光波的橫向振動(dòng)偏向于某一方向），而葡萄產(chǎn)生的酒石酸卻能使光偏振？這兩批酒石酸具有同樣的成分，同樣的比例和同樣的化學(xué)式。19世紀(jì)20年代，李比希（Justus von Liebig，1803—1873）和維勒發(fā)現(xiàn)了更多這樣的配對(duì)物。1830年，偉大的命名者，貝采里烏斯給具有同樣化學(xué)式卻有不同行為的成對(duì)化合物起了一個(gè)名字，叫做異構(gòu)體。關(guān)于這一復(fù)雜性，維勒在1835年給貝采里烏斯的信中寫道：“在我看來(lái)，有機(jī)化學(xué)就像是熱帶的原始森林，充滿了令人驚異的東西。”

巴斯德對(duì)比奧發(fā)現(xiàn)的酒石酸異構(gòu)體這一奇怪的化學(xué)現(xiàn)象首次進(jìn)行了認(rèn)真的研究。他把實(shí)驗(yàn)室合成的異構(gòu)體分離成單個(gè)晶體，并證明它實(shí)際上還是會(huì)使光發(fā)生偏振的。只是有些沿一個(gè)方向偏振，另一些沿相反的方向。1848年，他有了答案。在實(shí)驗(yàn)室制成的物質(zhì)中，兩種晶體相互抵消，因此整個(gè)物質(zhì)不使光發(fā)生偏振。