光谱学与元素的发现

　　目前我們已經確定並命名的元素有一百零九種，其中有二十來個是 1937 年以後科學家在實驗室中以人工方法製造出來的，真正在地球上天然存在的只有八十八種。而這些天然元素的發現過程真是多彩多姿，五花八門，有的是在遠古時代就被人類熟知並利用的，像金﹑銀﹑銅﹑鐵﹑錫﹑鉛﹑汞等金屬及碳﹑硫等非金屬。有些是中世紀的鍊金術士在經年累月的摸索中所獲得的，像砷﹑磷﹑銻﹑鉍等。十八世紀初葉化學開始萌芽，以真正的實驗技術發現了鋅﹑鉑﹑鈷﹑鎳等。十八世紀中葉以後，由於經驗的累積以及有系統的分析與整理，化學得以迅速發展，發現了許多重要元素，如氫﹑氮﹑氧﹑氯等氣體以及包括錳﹑鎢﹑鈾﹑鈦﹑鈹

　　﹑鉻﹑鋨﹑銥等的約十八種金屬。進入十九世紀以後，由於 1800 年伏打電池的發明，開啟了電化學時代，科學家以電解法製得了鉀﹑鈉﹑鎂﹑鈣﹑鍶﹑鋇以及鋁等活性金屬，這期間另有像鋰﹑硼﹑溴﹑碘﹑矽﹑鎘

　　.氟等十三種元素在歐洲各地陸續出爐。總計到 1850 年止，人類已知的元素一共有 59 種。

　　1860 年代，光譜學興起，靠著分光器的發明，科學家又發現了銫﹑銣﹑鉈﹑銦﹑鎵等五個元素，並預

　　言了氦的存在。這些地殼中含量甚少的元素，如用平常化學上的礦物分析法，恐怕永遠不會被發現。本文擬從光譜學的發展談起，再談談光譜學在化學上的應用以及利用它來發現新元素的有趣過程。

　　〔光譜的發現〕

　　光譜研究的鼻祖是鼎鼎大名的科學家牛頓，1663 年，當他還是一個劍橋大學 21 歲的大學生時就開始研究色與光的問題。三年後，他做了有名的三稜鏡光散射實驗，將一束太陽光經一塊三角形玻璃稜鏡折射後，在牆上分布成紅﹑橙﹑黃﹑綠﹑藍﹑靛﹑紫等七色的彩色光帶。當再倒放一個三稜鏡於第一個三稜鏡後面時

　　，各顏色又重新組合成為一束白光。

　　1672 年，在倫敦皇家學會上發表的第一篇論文「光和色的新理論」中，牛頓將這種彩虹色帶命名為光譜 (Spectrum)，並正確的解釋了它的成因：日光原是各種色光混合而成的，由於各色光的折射率不同，所以通過三稜鏡時被色散開來。他的說法澄清了亞理斯多德以來對於色與光的種種臆測與妄斷。其實牛頓並不是第一位觀察到這種色散現象的人，早在西元一世紀時，羅馬最偉大的政治家兼哲學家西尼卡 (L.A.Senica 4 BC-65 AD)，就曾在他歸類整理的七卷「自然界問題」中提到，當陽光照過一塊角形的玻璃時，會呈現彩虹

　　的全部顏色，只是西尼卡認為那是玻璃將白光「著色」的結果。

　　今日我們已知所有紅﹑橙﹑黃﹑綠﹑藍﹑靛﹑紫等七色光都是本質相同的電磁波，其唯一的差異只是波長不同，紅光波長最長，約 7500 埃 (1 埃= 一億分之一公分)，紫光波長最短，約 4000 埃左右。這是我們人類視覺感官所能看見的範圍，稱為可見光 (Visible Light，簡寫為 VIS)。至於在這可見光譜的兩端還有什麼，既是人類眼睛所不可見，也就沒有人想到要去探究它了!

　　事隔一個多世紀，到 1800 年，德裔英國天文學家威廉.赫瑟爾爵士 (Sir WilliamHerschel 1738-1822) 做了一個有趣的實驗，他將一個非常靈敏的溫度計放在經稜鏡色散開來的光譜中，測量各色光的溫度。結果發現愈向紅光方向溫度愈高，而且超出紅光後，在沒有色光的地方，溫度還繼續升高，他推斷在紅光之外一定還有一種我們人類肉眼所看不見的輻射光，就這樣發現了波長比紅光更長的「紅外線」(Infrared，簡寫為 IR)。 紅外線具有較強的熱效應，因此也叫「熱線」。

　　說起赫瑟爾這個人可真不簡單，他原是一名風琴師，中年後熱中於天文研究，以自製的高倍率望遠鏡觀測星空，在 1781 年發現了天王星而名噪一時。在四十多年孜孜不倦的「日有所思，夜有所見」的鑽研中，發展出「宇宙群島論」與「天體演化論」，並發現了天王星的兩個衛星﹑土星的兩個衛星﹑2500 個以上的星雲﹑星團，以及近 850 顆雙星。其妹卡洛琳 (Caroline.L.Herschel 1750-1848) 以及他也受封爵的獨子約翰.赫瑟爾 (　Sir John Herschel 1792-1871)，都是獨當一面的大天文學家，對天文學的發展各有許多重大的貢獻，倍受尊敬與推崇。大英與大美百科全書皆各有列傳。

　　紅外線發現的第二年，1801年，德國的物理學家里特爾 (J.W.Ritter 1776-1810) 研究氯化銀的光敏現象，發現氯化銀如一般所知的，在可見光照射時會分解，但當暴露在可見光譜的紫端外側時，分解得更快。他因而推斷在紫光之外一定也有一種我們人類肉眼所看不見的輻射光，那就是波長比紫光更短的紫外線(Ultraviolet，簡寫為 UV)。紫外線具有較強的化學效應，因此也叫「化學線」。其實里特爾最大的專長是電化學，1800 年伏打電池剛發明，他就首先利用它來進行電鍍，1802 年又首先製造出乾電池，次年更發明一種蓄電池，可惜天不假年，因貧病交迫，以 33 歲的英年辭世。

　　1864 年，蘇格蘭物理學大師馬克士威 (J.C.Maxwell 1831-1879) 綜合庫侖﹑安培及法拉第的電磁場概念，以一套完整的合於邏輯的數學方程式，發展出重要的電磁學理論，預言了電磁輻射的存在，指出電磁輻射是藉波動型式以光速傳播，並將光視為一種電磁波。1888 年，德國物理學家赫茲 (H.R.Hertz 1857-1894) 在實驗室中產生了無線電波，測其波長和速度，發現其振動性以及反射﹑折射等特性皆與光波﹑熱波等毫無二致，而證明了馬克士威的理論-光和熱都是電磁輻射的一種型式。即光﹑熱以及其他各種電磁輻射，包括後來發現的﹑波長比紫外線更短的X光﹑伽馬射線以及宇宙射線等，本質上都是相同的，都是電磁波，只是波長不同而已。

　　現在我們有依波長大小或頻率高低排列的「全電磁輻射光譜」。若由波長大的開始，則第一個是無線電的長波，以下依次是中波﹑短波﹑微波﹑IR﹑VIS﹑UV﹑X射線﹑伽馬射線，最後是宇宙射線。但要注意，其實在各種輻射之間並沒有真正的分界線，其間的變化乃是重疊與漸轉的。

　　馬克士威在物理學史上的地位相當崇高，他是承先啟後的關鍵人物，上承牛頓﹑下啟愛因斯坦，他所發展的電磁場理論成為以後所有場論的模式。他還導出氣體分子速度與能量的分布律，對氣體動力論與統計物理學有重大貢獻。赫茲是第一位播出並接收無線電波的科學家，他的發明與發現應用在今日的廣播﹑電視與無線電通訊各方面，對人類的現代化生活有無比重大的貢獻，我們將他的大名用做波動頻率的單位，每秒一次稱為一赫茲，簡稱一赫，寫成 Hz，如收聽電台廣播，就常聽到報台時說：這裏是某某電台，中波週率幾

　　千赫，或調頻週率幾兆赫等等。

　　〔光譜的研究〕

　　話說回頭，當紅外線與紫外線相繼被發現以後，光譜的分析又熱門了起來，科學家製作更精良的分光稜鏡來對光譜線做更精密的檢視。1802 年，英國的化學家伍拉斯頓 (W.H.Wollaston 1766-1828) 仔細的觀察太陽光譜時，注意到表面看來是連續的彩色光帶中，夾雜著不少的垂直暗線，他最初認為那或許是顏色間的界線

　　，後來想想，又覺得不可能，因為如前所述，各色間的變化乃是連續而逐漸過渡的，各色間不應該有條紋來區隔或劃分，何況有些暗線是出現在同一色區的中間。在不得要領之下，他只好把這些暗線的出現歸咎於稜鏡的缺陷。

　　1814 年，德國的物理學家弗朗和斐 (J.von Fraunhofer 1787-1826) 發明了另一種色散的儀器--繞射光柵

　　，它不但色散作用比稜鏡大得多，而且對各色光分散得極為均勻，還可以直接測得各色光真正的波長。他用他的繞射光柵來製做各種光源的光譜，當他試驗太陽光譜時，也發現了伍拉斯頓所看見的暗線，他知道這些暗線不會是儀器因素造成的，因為他由繞射光柵所得的譜線與由稜鏡所得的相比較時，除更細緻﹑更清晰外，主要暗線的位置與波長居然是一樣的。他仔細的數一數他所能辨識的暗線，竟有 576 條，他把它們

　　一一標記下來，其中最主要的幾條，更依其明顯程度，依次標以英文字母 A﹑B﹑C﹑...G 的代號，當做描述用的固定點或參考點。後世即把這些暗線稱為「弗朗和斐線」。

　　有一天，弗朗和斐忽然心血來潮，把他的分光儀一器二用，將光線入口處分成兩半，上半以陽光入射，下半以燃燒的鈉焰入射，於是得到了上下兩幅平行的光譜。他發現發出強烈黃光的鈉焰在光譜中有兩條很接近的明亮黃線，恰巧與太陽光譜中他標示為 D 的兩條暗線在同一位置上，(此即今日我們所稱的著名的「鈉 -D 雙線」)，這意味著什麼? 他知道其中一定蘊藏有重大的玄機，只是不曉得答案在那裏!

　　伍拉斯頓是個富家子弟，因研究出白金的純化方法使能在工業上大量使用而致富，而在對白金的研究中，又因意外的在 1803 年發現鈀﹑在 1804 年發現銠而成名。他制定出精確的當量表﹑證明了倍比定律﹑預見三度空間的分子概念，又發明了可以測量晶體角度的反射測角器，在礦物學上貢獻很大，有一種矽灰石礦就是為了紀念他而命名為伍拉斯頓石 (Wollastonite)。弗朗和斐的出身卻大不相同，十一歲就成了孤兒，在一製鏡商家中當學徒，又遇住屋倒塌，差點被壓死，獲救後得貴人相助才開始研究光學。31 歲成為慕尼黑附近一家光學研究所所長，以研究各種光譜終其一生。

　　〔光譜檢驗法〕

　　有一個名叫馬格拉夫 (A.S.Marggraf 1709-1782) 的德國化學家，在1762 年發現，從植物鹼 (碳酸鉀) 轉化出來的各種鹽類(鉀鹽) 都會把火焰染成紫色，而從天然的蘇打鹼(碳酸鈉) 轉化出來的各種鹽類(鈉鹽) 則都會把火焰染成黃色，從此以後，人們就用這種方法來鑒別鈉鹽和鉀鹽。接著科學家很快就發現，不只鈉鹽和鉀鹽有特殊的焰色，許多金屬鹽類在燃燒時也都會產生特殊的焰色，如銅鹽的焰色是翠綠色的，鋇鹽的焰色是草綠色的，鈣鹽的焰色是橘紅色的，而鍶鹽和鋰鹽一樣都是鮮紅色的。於是發展出一種叫做「焰色試驗」的定性分析法，可以很方便的檢驗出某些鹽類中所含的金屬成分。以一根白金棒沾少許金屬鹽類溶液或粉末，置無色燈焰上加熱燃燒，則由燃燒產生的火焰顏色就可以判斷所含金屬之種類。

　　繞射光柵的分光術發明以後，英國的物理學家泰爾包特 (W.H.F.Talbot 1800-1877)於 1825 年製造了一種可以研究焰色光譜的儀器，然後將燈蕊浸在各種不同鹽類的溶液中，曬乾後點燃，觀察其光譜，發現各種金屬鹽類的火焰分光後所得的光譜，都是不連續的幾條亮線，各出現在其對應的顏色光區內，其中他注意到，鍶鹽和鋰鹽儘管焰色幾乎完全相同，但呈現的光譜卻迥然不同。他是意識到每種元素都有自己的一組特徵光譜的第一位科學家。

　　1852 年，瑞典的物理學家埃格斯壯 (A.J.Angstrom 1814-1874)發表了一篇論文，列出一系列物質的光譜

　　，並正式指出每一種特徵光譜乃是某一種元素的特定標誌，光譜正像人類的指紋一樣，各種金屬元素所發射的光譜線的數目﹑強度和位置都不一樣，因此可以由光譜的分析來檢驗金屬元素的種類，更可由各元素譜線的相對強度來判斷混合物中各種元素的相對含量。至此，光譜學的應用進入了一個嶄新的時代，成為化學元素分析的一項利器。

　　馬格拉夫是十八世紀最傑出的定性分析化學家，不但創始了許多今日在實驗室中仍常用的分析技巧，像兩性金屬與可和氨錯合的金屬的沉澱與溶解﹑礦石與溶液中鐵質的檢測﹑矽酸鹽礦物的有效分解，以及普魯士藍﹑氟化氫氣的製造等等，他還是甜菜糖的發現者呢!泰爾包特是照相術的先驅，首創了今日正﹑負片系統的「卡羅式照像法」，出版了世界上第一套用照片做插圖的書籍，也成功的攝製快速照片，開發出照相製版法。有趣的是他也是位傑出的語言學家，會翻譯亞述帝國的楔形文字。埃格斯壯來頭也很不小，物理學方面，他證明熱導率與電導率成正比，光譜學方面，他是最主要的奠基者之一，是太陽光譜最權威的研究者，今日我們的長度單位「埃」(十億分之一公分)，就是以他的姓氏命名的。

　　光譜學的天文應用

　　將光譜分析術集大成的，是一對在海德堡大學共同研究的德國科學家本生 (R.W.Bunsen 1811-1899) 與基爾霍夫 (G.R.Kirchhoff 1824-1887)。他們首先設計了一台精密準確又操作簡便的看譜鏡，簡化了光譜化學分析技術。接著他倆重新再做四十年前弗朗和斐所做的鈉焰實驗，弗朗和斐不是發現鈉光譜的兩條黃線恰在太陽光譜中他標示為 D 的兩條暗線位置而不知其所以然嗎?這次他倆讓連續光譜透過鈉焰的上方，那裏有未燃燒的鈉蒸氣，結果在一片連續的彩色光帶中竟然就出現了兩條明顯的 D 暗線。顯然，是鈉蒸氣將連續光譜中屬於 D 線波長的輻射給吸收掉了!於是他們在 1859 年發表了兩條有名的「基爾霍夫輻射定律」。其一謂每種化學元素都各有其特殊的光譜，其二謂每種元素所「吸收」的電磁輻射波長與所「發出」的波長相等，詳言之，當某元素在高熱燃燒時若能發射某種波長的光，則在較低溫時其蒸氣就會吸收相同波長的光。這第二條輻射定律就解釋了四十多年來一直不知其所以然的「弗朗和斐暗線」問題。

　　本生與基爾霍夫認為高溫的太陽表面原會發出含有各種頻率的連續光譜，然而緊貼著太陽表面的大氣層，因為溫度比太陽光球的溫度低，其中所含的蒸氣成分，會依其化學元素特性而選擇吸收其特徵波長的輻射，所以太陽光譜中的各條弗朗和斐暗線都是其大氣成分元素吸收部分陽光波長所造成的。像暗線中的 D 線為什麼恰與鈉焰的雙黃線位置﹑波長一樣，就是因為太陽大氣中含有鈉成分，吸收了陽光中的這種波長之故，也就是說 D 暗線的存在正是太陽大氣中含有鈉成分的明證!

　　他們就用這種方法比較太陽光譜中的弗朗和斐暗線與各元素的特性光譜，而在 1859年宣布，太陽大氣層中含有鈉﹑鐵﹑鈣和鎳而沒有鋰，但其中含量最豐的則是氫。他們的發現立刻轟動整個科學界，光憑一台簡單的看譜鏡居然能在地球上檢定出一億五千萬公里外的太陽的化學元素組成，真是太神奇了!今日以這種技術已確定太陽中有 63 種元素和11 種分子。將此法應用於其它星球上，已成為現代天文物理學家觀星的依據，為天文學提供了為數相當可觀的太空資料，包括銀河塵的存在﹑星球的速度﹑組成﹑磁性﹑溫度﹑和辨別單子星與雙子星等等。

　　本生的名氣很大，他正是大家熟知的實驗用的「本生燈」的發明人。他終生未婚，在教室與實驗室中度過一生。早年在化學研究時，因一次爆炸而失去一隻眼睛，還曾因砷中毒而幾乎喪生，是典型的科學工作狂。發明了被稱為「本生電池」的碳鋅電池，以及過濾邦浦﹑冰量熱計﹑蒸汽量熱器和油斑光度計等儀器，以及碘滴定法等。但他最感興趣的乃是氣體分析，所著的「氣體定量法」一書是這方面的經典之作。基爾霍夫從前翻譯做克希荷夫，早年研究電學，以提出計算電網絡的電流﹑電壓和電阻的「克希荷夫定律」聞名。

　　後來與本生合作，轉而研究光學，兩人的合作成果之中，最重要的，除了前述光譜學的成就之外，就是下面要談的新元素的發現。

　　〔銣與銫的發現〕

　　當光譜分析技術逐漸健全與成熟，本生與基爾霍夫忽然想到，既然各元素有各自特異的光譜型式，那也許有某種人類未知的元素，可以由分光鏡來發現。 1860 年，兩人開始嘗試以光譜分析來探尋新元素。因鑑於鹼金屬的可見光譜最為明亮與靈敏，而且當時已知的鹼金屬元素只有鋰﹑鈉﹑鉀三種而已，應該還有其它鹼金屬存在才對，乃決定從尋找新的鹼金屬元素著手。

　　已知有大量的鈉鹽和鉀鹽存在海水與礦泉水中，因為性質相當的元素通常容易共存，所以如果有新的鹼金屬存在，也應該可以在海水或礦泉水中找到。因此他們就開始收集各地的海水和礦泉水來進行分析與檢查。算來也很幸運，才沒幾個月，居然就真被他們找到了。他們取到瑞典杜克亥姆 (Durkheim) 地方的礦泉水，以分光鏡檢查其火焰，如意料中的，出現鋰﹑鈉﹑鉀﹑鈣和鍶等幾種元素的光譜，但是當他們將屬於鹼土族的鈣﹑鍶等元素沉澱之後，剩下的濾液濃縮後再重新分光，卻發現除了顯出鋰﹑鈉和鉀三種元素的光譜

　　外，還有兩條明顯的藍線。就當時所知，沒有任何一種元素的光譜是具有這兩條藍線的，所以他倆斷定，那必是一種新的鹼金屬元素，並替它命名為 Cesium ，取拉丁文「天藍色」之意，這就是銫。雖然本生和基爾霍夫沒能單離出這個元素，但科學界卻立刻承認他們的發現。這是人類所知道的第 60 個元素，也是由光譜分析法所發現的第一個元素。

　　就在銫發現的數個月後，本生和基爾霍夫又拿到薩克森地方產的一種鱗狀雲母礦，將它製成溶液後，經例行步驟分離到只剩下鹼金屬時，以氯化鉑使生大量沉澱。以分光鏡檢視之，能看到鉀的紫色線光譜，但將沉澱反複洗滌後，發現鉀光譜逐漸消失，而剩下不屬於任何已知元素的兩條深紫線和兩條鮮豔的紅線。他們確信又找到了一個稀有的鹼金屬元素，於是在 1861 年提出報告，並以其譜線之深紅色而取名為 Rubidium ，這就是銣。乃人類所認識的第 61 個元素。

　　銣原子序為 37 ，是第四個鹼金屬元素，佔地殼組成的萬分之三，是地殼中含量第十六豐富的元素，不算很稀有，但是化性太活潑了，在空氣中就會自燃，很不安定。它的熔點只有 39 度，在常溫下是固體，但在發高燒的人手中就熔成液體了。銣的用途不多，用於光電池或原子鐘，但不如銫精確。銫原子序為 55，是第五個鹼金屬，約佔地殼組成的百萬分之七，相當稀有。化性比銣還要活潑，在潮濕的空氣中也會自行燃燒。其軟如冷卻之奶油，熔點只有 28 度，冷天時是固體，但夏天或氣溫稍高即會熔為液體。銫的光電特

　　性很強，就是說在光照下很易失去電子，所以廣泛用於光電管﹑光電池中，以及在電視攝影機中形成電子圖像，近來則發展做深空之離子火箭推進引擎的燃料。

　　鉈的發現〕

　　本生和基爾霍夫發現銣後不久，就有人提出報告，他也以攝譜儀發現了新元素。這個人叫克魯克斯(W.Crookes 1832-1919)，是一位多才多藝的英國年輕科學家。他十九歲時就以研究「硒化合物」揚名立萬，硒是氧族的第三個元素，十年後的1861 年，他開始研究第四個氧族元素「碲」。因為硒碲與硫同族 (硫是第二個氧族元素)，他認為想提取碲的話應該從含硫的物質中下手，於是由其師霍夫曼 (A.W.von Hofmann 1818-1892 以研究苯胺聞名的德國化學家) 處取得一家硫酸工廠中鉛室的殘渣，預備從其中提取碲。但是當他分

　　離出硒後，以分光鏡檢查其火焰光譜，卻沒有找到碲，反而意外的看到一條前所未見的絢麗的青綠色譜線。他認為那應該是一種新元素，馬上在自己於 1859 年創刊的「化學新聞」期刊上發表，他預言它是一種新的金屬，並且將它命名為 Thallium ，意為「綠色嫩枝」。第二年，他把這個「新金屬」的發現拿到世界博覽會上去秀，獲得優賞，大大出了一番風頭。

　　然而，最先提製出純金屬鉈的是法國里爾 (Lille) 大學的拉米教授 (C.A.Lamy 1820-1878)，他在克魯克斯的報導發表後數月，以王水處理硫酸廠的廢泥，再經一連串複雜的提煉手續，最後經電解而製得純鉈，並發現它有毒。隨後克魯克斯也獨力析離得純金屬鉈，並花十多年的功夫深入研究其性質。

　　鉈原子序 81 ，是第五個硼族元素，在地殼中含量居第五十八位，也是相當稀少的一種金屬。沉重﹑但質軟﹑易溶，化性很活潑，其化合物具致命之毒性，三十年前曾用製滅鼠劑及殺蟲劑，現在的主要用途大都是利用它的特殊光學性質，做光學透鏡﹑稜鏡及紅外線光敏電池等。

　　克魯克斯固是鉈的發現與研究方面的大功臣，但他最為人所知悉的事功卻不在此，而是在對陰極射線的研究方面。他將真空氣體放電管做各種精巧的改良，使陰極射線之特性可以得到詳細的研究，對於 1895 年X光的發現與 1897 年電子的發現都有不可抹煞的貢獻，這種「克魯克斯管」也成為今日實驗室中不可或缺的儀器。他發明的「克魯克斯輻射計」也是今日應用極廣的靈敏測量儀器。雖曾一度因沉迷超自然現象的研究而遭正統科學家的非議，終還是因功被英女王冊封為爵士。

　　〔銦的發現〕

　　銦的發現過程與鉈有點類似，都是無心插柳的意外結果。鉈發現的次年，1863，德國礦物學家賴希 (F.Reich 1799-1882) 也想鍊製些鉈來研究，但他從一種含閃鋅礦的礦石下手。當他按一般例行的系統分析手續將硫與砷等雜質去除後，得到一種草黃色的沉澱，他需要知道該沉澱的成分是什麼，才能決定再下去要怎麼處理。由於賴希本人患有色盲，無法做光譜分析，就委請他的助手李希特 (H.T.Richter 1824-1898) 去做。當李希特將那沉澱物置本生燈焰上燒灼時，他從分光鏡中看見了一條明顯的靛青色明線，他先以為是本生和基爾霍夫所發現的銫，但經詳細比對，它與銫的兩條藍線並不重合。經再三實驗與考察，終於確認那是一種新元素的譜線，他們就依往例，因其靛藍 (indigo) 的譜線顏色而命名為 Indium 。隨後兩人又以化學還原法，成功的製得了純淨的金屬銦。

　　銦是一個頗有趣的金屬，它的原子序為 49，是第四個硼族元素，化性與鋁相似，但外觀卻像錫，很軟

　　，用指甲就可以在上面刻痕，塑性奇佳，幾可任意壓捏變形，但彎曲時會發出尖銳聲響。在地殼中含量極少，估計僅約千萬分之一。因熔點很低，僅 156 度左右，因此目前多用於製造電鍍﹑焊接或消防器材等的低熔點合金，較先進的用途則與半導體及核反應方面有關。

　　賴希一生擔任教職，李希特後來也成為一家礦務學校的校長，兩人都是腳踏實地的化學家與冶金學家，雖沒有頂尖的學術成就，卻由於銦的發現，終得以留名青史，也算令人豔羨的了!

　　〔鎵的發現〕

　　鎵的發現頗為不凡。光譜分析術使人類在 1860 後的四年間連續發現了四個元素，到 1863 年銦被發現為止，人類所認識的元素總共已有六十三個。1869 年，俄國的偉大化學家門得列夫 (D.I.Mendeleyev 1834-1907) 深入探索元素性質與其原子量間的變化規律後，將當時已知的元素按原子量遞增的順序排列出「元素週期表」，將紊亂的化學元素納入一個合理的分類體系。他考慮到可能還有未知的元素沒被發現出來，因此對不太符合規律之處，寧願從缺，也不削足適屨，硬去分派歸屬。依此原則，他在週期表中留下了三個空位，認為那是人類還未發現的三個元素。1871 年，他還根據該空位上下左右各已知元素的物性和化性去預測該元素應有的性質，其中一個空位在鋁與銦之間，他稱之為「類鋁」。雖然門得列夫的週期表對元素的歸納與整理堪稱完美而理想，但對一個新的發現，尤其是他的預言，一般人仍感到半信半疑。

　　事隔四年，在 1875 年八月，一位法國化學家勒科克.得.布瓦博德朗 (P.E.Lecoqde Boisbaudran 1838-1912) 在分析庇里牛斯山產的一種閃鋅礦時，意外的在氫氧化鋅沉澱的燃灼光譜中檢視到兩條前所未見的紫色譜線，他判斷那應該是一種新的元素。這次他不以其譜線顏色來為這新元素命名，而以法國的古名高盧 Gallia 來稱呼，名之為Gallium，這就是鎵。 兩個月後，他由數百公斤的閃鋅礦中，經一系列處理後，以電解法製得約一克的純金屬鎵，並對其原子量﹑比重﹑化性﹑物性以及其氧化物﹑氯化物﹑和各種鹽類的反性等做一系列的探討。

　　布瓦博德朗興沖沖的把他的獨門發現發表在巴黎科學院的院報上。沒想到不久後他收到門得列夫的來信，除讚揚他的發現外，竟指出他所測定的鎵的比重 4.7 可能有誤，應該在 5.9 到 6.0 間才對。布瓦博德朗感到很納悶，當時世界上除了他之外應該再沒有人擁有純金屬鎵，門得列夫怎麼有可能指正他?他小心謹慎的再重測鎵的比重，發現真的是他錯了，正確值是 5.94，果然在 5.9 與 6.0 之間。驚訝之餘，他對門得列夫的預測佩服得五體投地，週期表的威力從此名揚天下，立刻被各國爭相傳誦，成為化學最基本的原理。

　　所以鎵的發現是週期表廣被接納的最大關鍵。

　　鎵是第三個硼族元素，熔點只有 30 度左右，溫度稍高於室溫即會熔化。但沸點卻超過 2000 度，是所有元素中液態範圍最大的。它有一個特殊的性質，就是由液態凝成固態時，體積會略為膨脹。其存在約佔地殼組成的十萬分之一.五，居第 32 位。目前最重要的用途除了利用它奇大的液態範圍做高溫溫度計之外，就是摻在矽或鍺中以製正型矽或正型鍺，做為半導體材料。

　　布瓦博德朗家道殷實，二十歲即繼承家族的釀酒事業。由於對化學特有興趣，乃自費設立一家私人實驗室，自力研究化學。除發現鎵外，他還發現釤和鏑等兩個稀土族元素，一個業餘的化學家能有如此成就，也算異數。門得列夫則是正牌科班出身，是聖彼得堡大學的化學教授，他著的「化學原理」一書是當時最權威﹑最暢銷的化學教科書。除了週期律的發現足以讓他名垂千古外，他還是一位實業家，對俄國石油工業與製鹼工業的發展貢獻極多，也曾擔任公職，制定不少工商政策，又熱衷於社會改革，領導學生運動，是位傳

　　奇性人物。

　　〔氦的預言與發現〕

　　氦元素的發現最富戲劇性了!

　　銫﹑銣﹑鉈﹑銦四個元素都是經由光譜分析術發現的，憑著一具分光鏡與攝譜儀，加上耐心的收集與比對，就可以發現新元素而在科學史上留名，這實在太誘人了。許多化學家﹑物理學家﹑礦物學家及天文學家就專心致志的做各種光譜採集與分析，希望能有所斬獲，但是從 1863 年銦發現後卻一直再沒有佳音傳出。

　　直到 1868 年十月的某一天，卻同時有兩人分別向巴黎科學院提出報告，聲稱在太陽光譜中又發現了新譜線。一位是法國天文學家讓森 (P.Janssen 1824-1907)，一位是英國皇家物理天文台台長洛克伊爾(J.N.Lockyer 1836-1920)，他倆都是研究太陽黑子與日珥的專家，在當年八月的一次日全蝕時，觀察到日珥光譜中有一條與「鈉 D-雙線」不同的黃色光譜。讓森原稱之為「D-3 線」，以別於鈉的 D-1 與 D-2 雙線，但洛克伊爾堅持那應該是一種未知元素的譜線。並依「太陽」的希臘語「helios」而將它命名為「Helium」

　　，中譯為氦。

　　1869 年門得列夫為元素列出了完美的排行榜-週期表，各已知元素都有各自的歸屬，已經沒有空缺可以再安排一個新元素了。一般科學家也覺得在沒有其它佐證之下，光憑一條陌生的譜線就創造一個莫須有的元素，似乎有點牽強，因此都認為那一定只是某已知元素在異常環境下變相放射的結果而已。但洛克伊爾是光譜學的忠實信徒，他始終認定那一定是一種太陽上所獨有的簡單元素的譜線，這種元素可能是一般的正常元素在太陽內部的極高溫度與極高壓力下分裂形成的，地球上因為沒有那種高溫高壓的條件，無法形成，所

　　以才會不存在。

　　1894 年，英國劍橋大學的物理學家瑞雷 (J.W.S.Rayleigh 1842-1919) 與倫敦大學的化學家雷姆塞(W.Ramsay 1852-1916) 從空氣中發現了氣體「氬」，它的性質跟所有已知元素完全兩樣，無法歸屬於週期表上的任何一族，也就是說它可能須自成一族，或者說週期表可能還有一整族元素都還沒被發現。第二年，1895，他倆分析從非晶鈾礦所釋放的氣體的光譜時，竟看見了 27 年前在太陽光譜中的所發現的那條 D-3 線!原來那種洛克伊爾所極力主張的﹑稱為「氦」的元素真的存在，而且不是太陽上才有，地球上也找得到

　　!後來雷姆塞以液化空氣的手段，從空氣中取得了這種「氦」氣，接著又陸續發現氪﹑氖和氙﹑氡等氣體。原來上述這六種氣體化性非常遲鈍，在自然界中像隱士般獨來獨往，根本不跟別人作用，難怪一直沒被發現。它們就被稱為「鈍氣」或「惰性氣體」，由於稀少，所以也稱「稀有氣體」，在週期表中就敬陪末座，自成一族，被排在最右一行。

　　當氦被發現的消息傳出時，最高興與得意的恐怕就是洛克伊爾爵士了，你看!你們都不相信，現在總該承認了吧!也幸好他活得夠長壽，能在垂暮之年親眼目睹早年的見解得到證實，享受到勝利的果實。洛克伊爾一生曾多次領導遠征軍到全球各地觀察日蝕，對太陽的內外組成﹑黑子運動﹑能量轉換等各方面，都有獨到的研究，他的行星演化理論獲得英國皇家學會的獎章，他還創辦「自然」科學雜誌，自己擔任主編，是位相當活躍的學者。讓森的事功與洛克伊爾頗為近似，一生專事太陽之觀察與研究。普法戰爭期間，他乘氣

　　球逃離圍城巴黎，到阿爾及利亞觀測日蝕，一時傳為美談。他定期拍攝太陽照片，十年間集得照片六千多張，出版「太陽攝影集」一書，是最早的太陽寫真專輯。至於瑞雷和雷姆塞，兩人都是鼎鼎大名的大師級人物，瑞雷是 1904 年諾貝爾物理獎得主，雷姆塞則是同一年的化學獎得主，兩人在近代物理及化學上的貢獻至多且巨，無庸贅敘。

　　氦是週期表上排行第二號的元素，在地球大氣中大約只占百萬分之五，但卻是大部份星星的主要成分。氦的工業用途極多，遍及航空太空﹑潛水﹑超低溫﹑超導體﹑半導體﹑氣相層析﹑粒子偵測﹑電弧焊接以及地質定年等各方面，它的發現對現代科技文明影響很大。

　　光譜學由祖師爺牛頓啟蒙，歷經伍拉斯頓﹑弗朗和斐﹑泰爾包特﹑埃格斯壯等歷代宗師的發展經營，到本生與基爾霍夫手上，終於大放異彩，成為一支獨秀的新興科學，不但是天文研究與化學分析不可或缺的利器，更由它發現了五﹑六個新元素。但是否它的歷史任務到此算完成了呢?答案是 NO! 更精彩的還在後面哪!

　　如前所述，科學家發現每種元素都有其各自的特徵明線光譜，因此光譜就等於元素的指紋，在鑑別分析上大有用途。但是為什麼會如此?這些光譜是怎麼產生的?到十九世紀末葉為止，科學家雖然對光譜的運用已相當得心應手，但是對其由來還是僅止於知其然而不知其所以然的地步。他們雖極力想解開這個謎，但是都不得要領。直到人類的眼光不再局限於光譜中各譜線的頻率或波長關係，而改弦更張，從譜線間的距離關係去找線索，才逐漸揭開了其中的重大秘密，從而認識了原子中的電子結構與電子組態，終於在本世紀發

　　展出波瀾壯闊的量子力學。今日我們對原子結構的了解，可以說是由那些譜線所透露的蛛絲馬跡中逐步參研出來的，當然這又是另外的故事了!