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在人类文明的舞台上，化学元素扮演着无与伦比的重要角色。 《元素与人类文明》这本书的作者孙亚飞博士，以金、硅、碳等重要的元素作为线索，讲述了人类怎样逐步形成对化学元素的科学认知，并结合史料和典故向读者描绘了这些元素，如何参与到文明进程之中。 
“元素”的科学认知人类对“元素”的科学认知是经过了数千年的探索。在古代社会中，就出现过“四元素”、“五行说”等朴素的元素理论。 对元素的理性认识始于19世纪。英国科学家道尔顿提出，原子是构成万物的最小单元，而大小和性质完全一样的原子就可以被归为一种“元素”，并且每一种元素都具有特定的“原子量”。随后，相关研究有了快速进展，学者们确定了大量元素，并初步探究了不同元素间的关系。 
1869年，俄国化学家门捷列夫将当时已知的63种元素，按原子量的大小顺序排列。同时，他还将一些性质相似的元素上下排成纵列。在元素表中，横行叫做“周期”，纵列叫做“族”。一般而言，在同一周期内，金属元素位于表的左端，非金属元素位于右端；同族的元素则大多具有相似化学性质。 这张表格不仅很好地理清了已有的实验结果，还能做出准确的预测。在把当时已知元素写入表格时，门捷列夫发现了四个空白位置。因此，他判断未来将会有四种新元素被发现，并预测了它们的原子量等细节参数。随后，“镓、钪、锗、锝”的发现，证明了门捷列夫理论的正确性。 2016年，化学家们正式确定了118种元素，从而将元素周期表上第七个周期彻底填满。不过，周期表中越靠后面的元素，它们的原子量就越大。为了获得新的元素，往往要依靠高温、高能等人工条件。而且这些人造元素的稳定性也很差。不过，元素周期表经过不断的完善，仍然在化学研究中发挥着重要作用。 金元素自古以来，各种文明都对黄金十分喜爱，这主要有三方面的原因。 首先，黄金储量非常稀少，人类历史上所开采的黄金总量还不到20万吨。此外，金是一种很稳定的元素，它不容易被空气氧化，也很难被普通的酸碱腐蚀。第三，黄金有着独特的金黄色。 为什么金子是黄色的呢？这要从原子内部说起。  原子内部存在一个原子核，其周围有很多电子在各自不同的轨道上运动。当电子变化轨道时，需要吸收或者释放能量，这个过程就叫做“电子跃迁”。当光照到金属时，电子会吸收一部分光的能量，从而跃迁到更外侧的轨道。如果吸收的光线正好是可见光的一部分，那么这块金属在人眼看来，就会呈现出与被吸收光呈互补关系的另一种颜色。 在金的原子内部，处于最外圈轨道的电子，速度超过了光速的一半。根据相对论，这些高速运行的电子，其质量比静态时高出20%，这使得它们的轨道也发生了复杂的变化。最终呈现的结果是，当金中发生电子跃迁时，会吸收蓝色的光波。于是，金就会呈现出与蓝色互补的颜色，也就是金黄色。 对黄金的争夺，影响了很多人类历史中的重要事件。16世纪，西班牙在殖民美洲时，依靠枪炮与病菌，战胜了拥有数万军队的印加帝国，并掠夺了大量的黄金。但随着大量黄金涌入西班牙本土，这给当地的金融系统和社会稳定带来了严重冲击，最终导致了国力的衰败。 在当今社会中，除了装饰和保值，黄金在电子、医疗、国防等领域中发挥重要作用。比如，黄金稳定性极佳，可以用作手机中铜导线的保护层。 硅元素硅元素在地壳占比达到四分之一。各种硅基物质中，硅酸盐占到了绝大部分。 所谓硅酸盐，指的是硅与氧为主体，再加上铝、铁等元素结合而成的化合物。在硅酸盐中，硅和氧会组成一种四面体结构，这些四面体进一步相互连接，形成稳固的网络，从而让硅酸盐具有高强度、高熔点等优良性质。 
以硅酸盐为基础，通过加热的方法，可以得到陶器。陶器的原料是黏土，黏土是微小的硅酸盐颗粒和一些有机质的混合物。这些有机质就像胶水，可以把硅酸盐小颗粒粘在一起。往黏土里加点水，它就会变成橡皮泥一样，能够揉捏成各种形状。如果对黏土加热，其中的水分会跑掉，并且带走有机质，让剩下的硅酸盐紧密地烧结在一起，从而得到轻便、易操作的陶器。 硅和氧所组成的另一类重要材料是玻璃。在玻璃的制作中，是以二氧化硅为主要原料，再配以碳酸钠等其他成分，并需要对这些原料进行稳定加热。 玻璃最大的特点是其透明性。人眼能看到的可见光波长在390纳米到750纳米之间。对这些波长的光，玻璃内部的电子没法进行吸收，只能让光线直接穿过去，所以它就是透明的了。玻璃对于可见光透明的特性，使其成为光学仪器和化学设备的基础。 在如今的信息社会，通过特定结晶条件得到的单晶硅，成为了一种关键材料。 芯片运行中需要把信息转变为二进制信号，这是通过控制电路的低电压和高电压来实现的。因此，需要材料本身能灵活地改变导电性，以实现电压切换。在单晶硅中，硅原子会形成共价键，电子会被困于其中。此时，单晶硅表现为绝缘体；如果出现高温和电压刺激等条件，硅中的的电子就会偏离自己的岗位，逐渐流动起来，从而使材料表现出导电性。所以，单晶硅的这个特点使其成为了一种优良的半导体，可以用于芯片的制造。 依靠着认识元素、使用元素，人类成为了地球上最成功的物种。毫无疑问，人类未来的发展，也离不开对元素的应用与开发。 |
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