重整週期表
2010年，俄羅斯的研究人員宣佈合成出第117號元素的原子核，讓週期表第一次填補完整。所有的元素，從1到116，加上118，在此之前都已經發現，117填補了週期表底部那一橫排的最後空位。新元素的發現與合成，雖填補了空缺，完整的週期表卻失去原有規律－－新近增添的元素竟與同一直欄的其他元素有著不同的化學性質，打破一個半世紀以來規範週期表的週期定律。這極可能來自狹義相對論所描述的效應，它會讓一些電子軌域收縮而變小。一個問題是：過去認為週期表中同一直欄的元素會有類似表現，此一原則是否還適用於非常重的原子？另一個常見問題是：週期表究竟有沒有完成之日？
【編者的話】
氫、鋰、鈉、鉀、銣、銫……這串唸起來像咒語般的文字，是我們國中時都背過的「化學元素週期表」，卻總沒搞清楚為什麼元素要這樣排列？即便高中選讀自然組的多數人，也不見得弄懂這張表的意義。
元素的化學性質之所以呈現某種規律性，是因為原子最外層的電子會以某種特殊的方式繞行（如果你還記得「電子軌域」的話！）。也因為這些規則，科學家製造新種類元素時，可以預測其性質。但隨著元素的原子量越來越重，愛因斯坦的相對論就槓上門得列夫的週期表了！狹義相對論怎麼會讓週期表失去週期性？黃金呈現金色，而非一般金屬的銀色，是一種相對論效應？原子量的極限是多少？《科學人》要請大家一起來重整週期表！
一件事情發生的機率有多高？「頻率論機率」告訴我們，做過實驗、統計之後才能確知；而基於貝氏定理所發展出的「貝氏機率」，則很適合用來做信心預測。當貝氏機率遇上薛丁格的貓，「量子貝氏主義」讓量子世界用來計算機率的波函數，變成了個人的主觀判斷。你會發現，既活又死的疊加態將不再那麼難以理解。
章節試閱
重整你的元素週期表
新元素的發現與合成，填補了化學元素週期表中的空缺，
然而完整的週期表，卻失去了原有的「週期」規律！
撰文／塞利（Eric Scerri） 翻譯／王心瑩
重點提要
■ 2010年發現的117號元素，讓眾所皆知的週期表第一次填
補完整；至少在發現其他新元素之前是如此，到時候化學
家又得為週期表增加新的一個橫排。
■ 然而，最近新增添的一些元素竟然與同一直欄的其他元素
有不同的化學性質，打破了過去一個半世紀以來規範週期
表的週期定律。
■ 這些令人驚訝的表現，很可能來自於狹義相對論所描述的
效應，這種效應會讓一些電子軌域收縮而變小。
■ 核子物理學家持續努力合成新元素，這些新元素會擁有新
的電子軌域，而即使這些原子的存在時間很短，科學家也
致力了解這些原子的化學性質。
2010年，俄羅斯的研究人員宣佈，他們率先合成出第117號元素的原子核。這種新型的原子尚未命名，因為科學界有個傳統，在真正命名為新元素之前，要等待另一方的獨立驗證。然而不會有意外了，117目前已在元素週期表上佔據不變的地位。
所有的元素，從1 到116，加上118，在此之前都已經發現，因此117填補了週期表底部那一橫排的最後一個空位。這項成就代表著歷史上一個獨特時刻。門得列夫（也是俄國人）和其他人於1860年代創造出週期表時，那是科學史上首次把所有元素整理成序的偉大表格。門得列夫在他的表格上留了好幾個空格，並且做了大膽的猜測：終有一天會有人發現一些新元素能夠填補這些空格。後來又出現許多種形式的週期表，但所有的表格都有空格，直到現在，有了第117號元素，週期表第一次填補完整了。門得列夫在天之靈很可能對自己的遠見終於實現而沾沾自喜，至少可以持續好一會兒，直到化學家和核子物理學家合成出後續的幾個元素，又需要為週期表增加新的幾個橫排、可能要預留幾個新的空位為止。
然而，即使這張拼圖的最後幾個小塊終於落定，但有些更基礎的問題開始浮現，而這會撼動週期表背後最根本的存在根基：讓週期表之所以有「週期」之名的循環模式。
門得列夫不僅預測了未知元素的存在，更引人注目的是，他正確推測出各種元素的化學性質，依據的便是這種循環模式。然而隨著原子序（原子核內的質子數）逐漸增加，有些新增的元素不再表現出週期定律所預測的性質；也就是說，它們的化學交互作用，例如與其他原子所形成的鍵結方式，變得與表中同一直欄的其他元素不一樣了。原因在於，環繞在最重原子核外圍的一些電子已達到相當於光速的層級，以物理學術語來說，它們已具有「相對論性」，使原子的化學性質變得與週期表所預期的不一樣；此外，要預測每個原子的軌域結構如何擴展排列也變得極度困難。於是，即使門得列夫創造的週期表已經填滿，看似得到成功，卻也開始失去其解釋和預測的能力。
填補完整，卻不完美
至今我們可以找到超過1000種的週期表形式，也許是元素排列方式不同，或者每一排所包含的元素不一樣，然而它們都有一項共同的基本特色。若以連續方式來排列元素，也就是根據其原子數（最早是以原子量來排列），則每每經過特定的一系列元素後，它們的化學性質就會反覆出現。舉例來說，如果從鋰（Li）開始，向前移動8個位置，就會到達鈉（Na），它與鋰擁有許多相似的性質：都是軟金屬，軟到可以用刀子切開，而且都會和水產生劇烈反應。如果繼續向前移動8個位置，到達的是鉀（K），鉀也很軟，並容易與水反應，依此類推。
在最早的週期表中，不論是門得列夫或其他人所設計，每一週期的長度（即每一橫排的長度）永遠是8個元素。然而大家很快就發現，第四和第五週期並非8個元素重複一次，而是18個；為了與之對應，週期表的第四和第五橫排會比原本表格寬得多，以便容納多出來的元素（即過渡元素，在常見的週期表中位於正中央）。結果第六週期又變得更長，包含32個元素，因為中間包含另一系列的14個元素，稱為鑭系元素。
1937年，核子物理學家開始以人工方法合成新元素，最早是鎝（Tc）。當時的週期表從1號氫（H）延續到92號鈾（U），而鎝填補了表中四個空白處之一。其他三個失落的元素也很快就補齊了，石厄（At）和金叵（Pm）這兩個是人工合成，第三個鍅（Fr）則是在自然界尋得。但即使這些空白處填補起來，新的發現又為週期表在鈾的後面增添元素，也產生新的空位。
美國的化學家西博格（Gl e n n S e a b o rg）意識到，錒（Ac）、釷（Th）鏷（Pa）加上鈾，以及接續的10個元素，其實是一個新系列的部份元素，它們就像鑭系元素一樣，總共包含14個元素，此即後來所知的錒系元素。（這兩個系列多出來的元素，讓週期表變得更寬，因此標準週期表把這兩個包含14個元素的系列獨立出來，放在表格最底下。）
【欲閱讀更豐富內容，請參閱科學人2013年第137期7月號】
重整你的元素週期表
新元素的發現與合成，填補了化學元素週期表中的空缺，
然而完整的週期表，卻失去了原有的「週期」規律！
撰文／塞利（Eric Scerri） 翻譯／王心瑩
重點提要
■ 2010年發現的117號元素，讓眾所皆知的週期表第一次填
補完整；至少在發現其他新元素之前是如此，到時候化學
家又得為週期表增加新的一個橫排。
■ 然而，最近新增添的一些元素竟然與同一直欄的其他元素
有不同的化學性質，打破了過去一個半世紀以來規範週期
表的週期定律。
■ 這些令人驚訝的表現，很可能來自於狹義相對論所描述的
效應...
目錄
第137期
2013年7月號
【封面故事】
重整你的元素週期表
文／塞利（Eric Scerri）
2010年，俄羅斯的研究人員宣佈合成出第117號元素的原子核，讓週期表第一次填補完整。所有的元素，從1到116，加上118，在此之前都已經發現，117填補了週期表底部那一橫排的最後空位。新元素的發現與合成，雖填補了空缺，完整的週期表卻失去原有規律－－新近增添的元素竟與同一直欄的其他元素有著不同的化學性質，打破一個半世紀以來規範週期表的週期定律。這極可能來自狹義相對論所描述的效應，它會讓一些電子軌域收縮而變小。一個問題是：過去認為週期表中同一直欄的元素會有類似表現，此一原則是否還適用於非常重的原子？另一個常見問題是：週期表究竟有沒有完成之日？
【經典文摘】
向化學桂冠致敬
整理╱賈布爾（Ferris Jabr）
化學家關心的通常是物質在原子和分子層次的特性，看起來很狹隘，實際上恰好相反。化學讓我們了解周遭世界，包括生命的起源、人體的運作、微小分子如何大幅改變地球大氣層，當然也讓我們創造出大自然裡沒有的實用材料。今年夏天，諾貝爾化學獎得主與後起之秀齊聚德國林島，回顧並展望化學的進程。Scientific American特別摘錄11篇化學獎得主撰寫的文章：從居禮夫人的〈電性與物質的現代理論〉、斯韋德貝格的〈分子確實存在〉、肯德魯的〈蛋白質立體構造〉到齊威爾的〈4D電子顯微鏡〉，有些幾十年前化學家關注的問題，至今仍未有解答，而某些曾被視為不尋常、不知價值的人造物質，現在卻已進入我們的日常生活中，許多內容仍可呼應今日重要的研究。
【天文物理】
同位素：星球的胎記
文／李太楓、吳育雅
想知道太陽系甚至我們身體的物質來自哪些星球？最好的方式是研究它的同位素組成；天體碳、氧的比值有如國碼，能夠得知天體從何而來。太陽系絕大多數物質的碳比值相同，而彗星誕生於距離太陽相當遙遠的地方，卻有著和太陽系行星相似的同位素比值，由中研院士徐遐生等人提出的「X風模式」合理解釋了此一現象，構成彗星的物質可能是從較接近太陽系中心的位置被X風帶到太陽系外圍。然而最新的「星際介質模式」卻暗示，在一個大分子雲中的各個行星系統，同位素比值可能都相同。如果每一區域各有不同的比值，X風模式就勝出；反之，則支持星際介質模式……
【生命科學】
小小藻類 驅動演化大爆發
文／馬丁（Ronald Martin）、奎格（Antonietta Quigg）
如果你跳上時光機，造訪五億年前古生代的地球，你會以為到了另一個星球。不過，的確是如此。當時的大陸幾乎位於南半球，海洋的位置和洋流的方向大為不同，陸生植物還沒演化出來，世界上的多細胞生物幾乎都生活在海中，長得像蚌蛤的腕足動物以及有著堅硬外骨骼、長觸角和複眼的三葉蟲稱霸海洋；直到接下來的2億5000萬年間，海洋生物因大規模滅絕而銳減，生命種類的損失驚人，但巨大的變化正開始。科學家過去把這個演化大爆發歸因於物理因素，例如海平面的變化，但越來越多證據表明，矽藻和其他金黃色浮游植物可能才是主角……。
【防災科技】
地震預警 爭取黃金十秒
文／李名揚
地震預警系統是利用最接近震央的數個地震站接收到P波訊號後，由電腦計算出震央的位置、深度、規模等資訊，並推算出強烈的S波傳到各地的時間，以對這些地區發出警報。2011年日本福島大地震時，日本利用「區域型預警系統」，讓遠在373公里外的東京地區能在強烈地震波傳到前一分多鐘就接到警報，大幅減少人命傷亡和財產損失；台灣則以「現地型預警系統」，在327及602兩次地震中，證實了提前預警的可行性與功能。
【物理學】
量子在你心
文／馮貝爾（Hans Christian von Baeyer）
量子世界到底是什麼情況？在正統量子理論中，一個物體可用波函數來表示，意即波函數是用來描述物體性質的數學式子。例如，每當我們偵測到一個電子，就會發現它一定是位於某個位置；但當我們不去看它，電子的波函數可能是散開的，代表了電子處於不同地方的可能性；如果我們再去看它，又會看到電子出現在某一個位置。根據標準說法，「觀測」促使波函數在一瞬間崩陷而集中於某一位置之上。對此，科學界已提出十種以上的詮釋，但量子貝氏主義可能是其中最極端的。結合了量子理論與機率理論的量子貝氏主義，主張波函數崩陷就好像醫生依據新的電腦斷層掃描結果，而修正對癌症病人病況的判斷；量子系統並未經歷奇怪或不可解釋的變化，改變的是波函數，而波函數呈現的是你個人的期待……
電子沒有世界線文／高涌泉
愛因斯坦曾問：「你不看月亮時，它還在那裡嗎？」月亮當然在那裡，但是對於電子而言，這個問題的答案卻是否定的，愛因斯坦覺得這種答案太荒謬。不少人認同愛因斯坦，甚至連量子力學創建者之一薛丁格也是。但反對量子力學的陣營，至今尚拿不出一套理論，既可說明電子雙狹縫干涉實驗，又可讓電子有其世界線（軌跡），於是量子的詭異性就這麼持續下去了。
【神經科學】
打開血腦障壁
文／英特藍迪（Jeneen Interlandi）
艾利希於19世紀末進行的著名染色實驗，不僅讓他發現某種梅毒療法、獲頒諾貝爾醫學獎，還碰上一個至今困擾醫學界的難題。當他將染劑注入小鼠的血液循環系統，發現除了腦以外的所有器官都被滲透了：腎臟、肝臟和心臟在顯微鏡下呈現清楚且明顯的藍紫色，只有腦部仍維持蒼白的淺黃色。但艾利希的學生把相同染劑直接注入腦中，卻得出相反結果：腦變成了藍色，其他器官則否。顯然，有某種障壁存在於腦與血液之間。一直過了半個世紀，比艾利希當時使用的顯微鏡放大率高出約5000倍的顯微鏡問世後，才有人真正看到深藏在腦部血管中的那個障壁。多年來，科學家將它視為一道神聖不可穿越的牆……
【法醫學】
揭開命案的真相——法醫學
文／李名揚
從病理學分支而出的法醫學，已成現代司法偵查的重要科學工具。為了釐清死亡真相，法醫執行解剖時，必須檢查死者的腦、心、肺及其他內臟，還要檢驗血液、尿液、膽汁及胃液中的物質成份；分析身上的傷口形狀，以及屍斑、屍僵、屍溫及角膜混濁情形，還有牙齒生長情況及頭骨癒合程度……。抽絲剝繭，以便「讓死者說話」。
【心理學】
拋開偏見，我就是我
文／楊艾德（Ed Yong）
一直以來，黑人學生的平均成績較差，也較可能輟學，針對這現象的各種解釋當中，包括了「黑人學生天生就比較笨」的惡意論點，心理學家在1995年首先提出了「刻板印象威脅論」來推翻此一說法。過去10年來，心理學的研究也證明：即使背景不同，刻板印象威脅的方式是相同的，它會增加焦慮、讓人失去動機、降低期待。根據發現，刻板印象威脅劫持了我們的一些基本認知機制，由於擔心他人的偏見、想著該如何證明別人是錯的，因而讓自己的心理精疲力竭。不過，研究人員已發現扭轉並防範這種效應的新方法！
【科學人看科學人】
拓撲絕緣體預言者——張首晟
文／李名揚
美國史丹佛大學華人物理學家張首晟結合拓撲學與凝態物理研究，從抽象的數學概念，建構理論模型，提出讓薄膜材料「邊緣可以導電、中間為絕緣體」的拓撲絕緣體概念，並獲得實驗證實，從此相關研究如雨後春筍般興起。過去，電子在晶片中移動，就像跑車開進市集中，再怎麼高檔也跑不快；未來，這些跑車在高速公路上各行其道、互不干擾，並可暢行無阻。這就是電子在「拓撲絕緣體」所能做到的事，也可能是未來電腦持續進步的關鍵……
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靠毒物維生
「護士，請傳噴火槍給我」
沙漠中的仙女圈
找個離地球不遠的新家
雲端，冷卻一下吧！
第137期
2013年7月號
【封面故事】
重整你的元素週期表
文／塞利（Eric Scerri）
2010年，俄羅斯的研究人員宣佈合成出第117號元素的原子核，讓週期表第一次填補完整。所有的元素，從1到116，加上118，在此之前都已經發現，117填補了週期表底部那一橫排的最後空位。新元素的發現與合成，雖填補了空缺，完整的週期表卻失去原有規律－－新近增添的元素竟與同一直欄的其他元素有著不同的化學性質，打破一個半世紀以來規範週期表的週期定律。這極可能來自狹義相對論所描述的效應，它會讓一些電子軌域收縮而變小。一個問題是：過去認為週...
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