元素简史：炼金术到元素周期表，空气中的遗失和其他元素

18世纪末，当卡文迪许列出空气的成分时，他意识到缺了某种东西，但又无法确认到底是什么。其实，缺少的成分是氩，占地球大气层的近1%。最终，苏格兰的拉姆齐和英格兰的瑞利勋爵（即约翰·斯特拉特）发现了氩。两人最初是各自独立工作的，但后来互通有无，于1894年共同确定了这种元素的存在。

美国国家航空航天局（NASA）的STEREO航天器2008年拍摄的图像，可见太阳表面出现了一个突出物（右上），这是一团电离氦云，其温度低于太阳表面，在数小时内爆发、破裂并消散在太空中

瑞利勋爵发现，从空气中提取的氮气，其密度比通过分解氨气得到的氮气要高。差别虽然很小（从空气中提取的氮气密度为1.257克/升，而由氨气制取的氮气为1.251克/升），但其中原因值得研究。

拉姆齐提示瑞利勋爵，应该是某种较轻的气体污染了氨气中的氮气。同时，拉姆齐也在寻找一种与空气中的氮气混合在一起的较重气体。这两个方向中总有一个，能带我们找到那种与氮气混在一起的神秘气体。

拉姆齐使空气中提取的氮气样本反复通过加热后的镁（氮气会与之反应，形成氮化镁），从而去除空气中的所有氮气。最后留下的就是那没参与反应的1%，其密度比氮气大，为1.784克/升，恰好解释了之前由空气中提取的“氮气”的较大密度值。光谱仪显示出红纹，拉姆齐确认这是一种前所未知的元素。他和瑞利勋爵提出了“氩”这个名称，来自希腊文“argos”，意为“懒惰”，因为这种气体根本不参与反应。

深海潜水员使用的氧气罐中含有氦气和氧气的混合物，被称为“氦氧混合气”，在医疗领域也可用于治疗呼吸困难的病人

一年后，拉姆齐在地球上发现了氦气。他在研究铀的时候发现了一种惰性气体，起初看似氩气。他把样品送到洛克耶那里进行光谱分析。洛克耶兴奋地发现，那实际上是氦。这样一来，氦就成了第一种在地球以外被发现的元素——迄今为止，它仍然是唯一的一种。

铀矿石中含有氦，这向人类暗示着，某些未知元素或许有朝一日就会被意外“捕获”。但当时这条线索人类还无从利用，因为在1895年，人们既不知道什么放射性，也不知道原子核的性质。同样，也没有人知道元素为何以及如何产生独特的光谱。化学家们不明所以，却并不妨碍他们充分利用这些现象。

“朝生暮死”的氦

氦气像氢气一样质量很小，很容易摆脱地球的引力而飘向太空。它逃逸的速度很快，以至于地球上原有的氦气都已经跑光了。地球上之所以还有氦气，是因为地球深处的活动不断地补充着氦气。地球深处的放射性元素在衰变过程中发射着氦核。

氦核即α粒子，由2个质子与2个中子结合在一起，带有正电荷（+2），很容易吸引电子，成为氦原子。氦气最终会进入地球表面，因为它极为细小，能穿过最微小的缝隙。拉姆齐在含铀矿石中发现的氦气，是由放射性衰变产生的。工业用的氦气采集于地下天然气矿床，主要产地在美国（得克萨斯州、俄克拉荷马州和堪萨斯州）。(www.xing528.com)

如果说只有一种古怪的气体，那可能是异常情况，但既然出现了两种，就该考虑是否存在某种未知的类型了。拉姆齐提出，氩和氦代表了周期表中一个新的族。周期表中存在着没有合适位置的元素，门捷列夫起初对此感到难以接受。他甚至认为，氩根本不是一种元素，而是氮的分子形态，由3个氮原子结合而成。

然而人们越来越肯定，在周期表上，卤素和碱金属之间存在着一整族元素的空间。这时，门捷列夫便接纳了惰性气体，使其成为“0族”元素，从而让自己设计的架构更加精确了。惰性气体能被完美地填入周期表，并且填补了缺失的原子序数，使门捷列夫的这张表变得更加完善。

无价之宝瓦尔德泽米勒地图又称“寰宇志”，是第一幅标示美洲的地图。它制作于1507年，目前保存在美国华盛顿国会图书馆的氩气惰性环境中

既然确定了惰性气体的存在，拉姆齐便开始着手寻找它们的同类。他与英国化学家特拉弗斯（M. Travers）一起，利用冷凝为液态的空气进行研究——1883年，波兰化学家罗布莱夫斯基（Z. Wróblewski）和奥兹斯基（K. Olszewski）首次将空气液化。

1898年，两人首先发现了氪。这种气体只占地球大气的0.0001%。由于大气中的其他成分比氪更易挥发，所以当那些沸点较低的成分蒸发后，氪仍然保持着液态（氪的沸点是-153℃，而氮和氧的沸点分别是-196℃和-183℃）。发现氪之后，他们又通过对液态空气的研究，紧接着发现了氖（沸点为-246℃）。氖是宇宙中第四常见的元素，但在地球上，它只占大气层的0.0018%。在1898年那个高产的夏天，元素氙也现身了。它的沸点为-108℃，是空气中挥发性最弱的成分，只占地球大气的0.0000087%。

拉姆齐在讲解惰性气体

1902年，门捷列夫提出，存在一种比氢更轻的元素，它是新的0族气体之首，并可能足以解释新发现的辐射现象。他认为有两种可能存在的元素比氢轻，并认为它们也许能够解释所谓的“以太”。以太是一种难以捉摸的物质，至少从亚里士多德时代开始，人类就时不时地想起它，认为它占据着那些看似空无一物的空间。

门捷列夫认为，这些超轻的、质量几乎可以忽略不计的气体渗透于所有物质中，但基本不跟任何物质发生反应。他认为其粒子运动速度极快，因此即使是很稀薄的一团，也会显得密度很高。他在一本题为《以太的化学概念初探》（1904年）的小册子中发表了自己的看法：星际空间中充斥着两种或更多种在周期表上先于氢气的醚类气体。

中子

1926年，安德罗波夫（A. von Antropoff）为一种设想中的“原子序数为零的元素”（因为没有质子）创造了“中子”这个名字，并将其置于元素周期表的开头。中子星密度极高的核心被称为“简并中子”。