周期表
至此我所述的都是一些相当大的物体——恒星、星系、太阳系、地球和它的大气层，现在让我们看看组成它们的物质的特性。
早期的理论
早期希腊哲学家对于大部分问题都采取论证与推理的方法，他们曾断言地球是由少数元素或基本物质组成的。大约公元前430年，阿克雷加斯的恩培多克勒把这些基本物质假定为土、空气、水和火4种。一个世纪后，亚里士多德又提出天空中含有第五种元素——以太。中世纪研究物质问题的继承者是中世纪的炼金术士，他们虽然陷入了幻术和骗术的泥坑，但他们所做的结论比那些古希腊人更精明和合理，因为他们至少处理过他们所推测的物质。
为了解释这些物质的不同性质，这些炼金术士们列表增添控制元素，并附上这些元素的各种特性。他们把水银看作是使物质具有金属特性的元素，而把硫看作是使物质具有可燃性的元素。16世纪的瑞士物理学家霍恩海姆是炼金术士中最好的一位，他加了一种元素——盐，并认为它是使物质具有抗热性的元素。
炼金术士们认为，只要按合适的比例加入或取出某些元素，就可以使该物质变成另一种物质。例如，像铅这种金属，只要加入适量的水银就可以转变成金。这种寻求把贱金属转变成金的精密技术持续了好几个世纪。在这期间，炼金术士们又发现了大量比金更为重要的物质——譬如无机酸和磷。
无机酸——硝酸、盐酸，特别是硫酸（大约在公元1300年首次被制造出来），此项发现引起了炼金术实验中的重大革命。这些酸比以前知道的最强的酸（醋里面的醋酸）所具有的酸性要强得多，而且不需要高温及长时间的等待就可以把物质分解。即使在今天这些无机酸在工业上的用途仍非常重要，尤其是硫酸。据说，一个国家的工业化程度，可以从它每年消耗的硫酸量来判断。
然而，几乎没有一个炼金术士愿意离开他追求的主要方向而转到这些重要方面，其中一些无耻之徒，耽溺于骗人的勾当，伪称他们会变出黄金以便从一些有钱的赞助人那里赢得我们今天所谓的经费，因此使得这们行业声名狼藉而导致炼金术士这个名称遭人唾弃。到了17世纪左右，炼金术士变成了化学家，同时炼金术也一步步发展成称之为化学的科学。
波义耳是这门科学诞生时出现的化学家中的一位，他建立了波义耳气体定律（见第五章 ）。在他的《怀疑的化学家》一书中（1661年出版），波义耳第一次建立了元素的明确的新准则：元素是一种基质，它能与其他的元素结合成化合物，相反地，任何一种元素从一种化合物中分离出来后，就不能再分解成任何更简单的物质了。
然而，对什么是真正的元素，波义耳仍保留了中世纪的观点。例如，他认为金不是元素，可用某种方法从其他的金属制得。事实上，与他同时代的牛顿也这样认为。牛顿在炼金术上花了很多的时间（的确迟至1867年，奥匈帝王约瑟夫还发给他造金实验补助金）。
在波义耳之后的一个世纪里，实际的化学工作者开始弄明白了哪些东西可以分成更简单的物质，哪些不可以。卡文迪什曾经指出，氢可以和氧结合产生水，所以水不是一种元素。后来拉瓦锡把被认为是元素的空气分解成氧和氮。如此一来事情就理加清楚了。以波义耳的元素准则来判断，古希腊所提出的元素则都不是元素了。
至于炼金术士们认为是元素的水银和硫，后来根据“波义耳准则”也证实确实为元素。其他如铁、锡、铅、铜、银、金和一些非金属如磷、碳、砷也如此。而巴拉赛尔苏斯认为是“元素”的盐，则被分解成两种更简单的物质。
当然，元素的定义取决于当时的化学水平。只要某种物质用当时的化学技术不能分解，它便可以被视为一种元素。例如，拉瓦锡的33种元素表中包含了石灰石和氧化镁等物质，但是在他死于法国革命的断头台上之后14年，英国化学家戴维使用电流来分解这两种物质，他把石灰石分解成氧和称为钙的另一种新元素。同样地，他把氧化镁分解成氧和另一种新元素——镁。
另一方面，戴维已能够证实，瑞典化学家舍勒从盐酸制出来的气体不像人们所想象的那样是盐酸和氧的化合物，而是一种真正的元素，并命名为氯（源自希腊字“绿色”）。
原子论
19世纪初，人们提出一套考察元素的全新方法，此法可说是源于古希腊人的某些方法，古希腊人毕竟提出了已被证实在了解物质方面是最为重要的独特观点。
希腊人曾展开过关于物质是连续或是不连续的辩论：物质可以分割并无止境地分成愈来愈细的微粒，还是最后发现它是由不可再分的质点组成的？大约公元前450年，留基伯和他的学生德谟克利特二人坚持物质是不可分的。事实上，德谟克利特还把这些质点叫做原子（意为“不可分割”）。他甚至认为，不同物质是由不同的原子或不同的原子组合所组成的，并且认为，原子重新排列可以使一种物质转变成另一种物质。考虑到这一切只是聪明的猜测，人们不免会对他的正确判断力感到震惊。虽然在今天这种观念是很明显的，但是在当时这些观点是非常模糊的，析拉图和亚里士多德断然拒绝接受这些观点。
然而，上述观点在伊壁鸠鲁的讲义（写于公元前300年）及其学派（伊壁鸠鲁学派）之中存留了下来。罗马的哲学家卢克莱修是伊壁鸠鲁学说的重要信奉者，大约于公元前60年，他在自己的一首长诗《物性论》中具体地把原子观念写了出来。卢克莱修的诗的一个旧版本经过中世纪保存了下来，这首长诗是印刷术问世后就印出来的最早著作之一。
原子的概念从来没有完全被西方学者遗忘过，在现代科学诞生初期的原子论中，最著名的是意大利的哲学家布鲁诺和法国哲学家伽桑狄。布鲁诺有许多非正统的科学观点，例如，他认为在浩瀚无边的宇宙里有无数颗恒星（即遥远的太阳），而行星却围绕着各自的恒星运转。他大胆地表示了自己的观点，结果在公元1600年，以异端的罪名而被烧死。他是科学革命中的杰出殉难者。俄罗斯人为了纪念他，还以他的名字来命名月球背面的环形山。
伽桑狄的气体可以压缩和膨胀的实验，显示出气体必定是由分布很广的质点所组成。这个观点影响了波义耳，并使波义耳和牛顿成为17世纪公认的原子论者。
1799年，法国化学家普鲁斯特证明，无论怎样制备碳酸铜，其所含铜、碳和氧的重量比例都是一定的，而且该比例是很小的整数比，为5:4:1。对于其他一些化合物，他也继续证明出有相似的情况。
假定化合物是由各元素能结合的完整物体小数目结合形成的，可以恰当地解释这种情况。英国化学家道尔顿在1803年指出了这种情况，并且在1808年出版了一本书，该书的新化学资料都是过去100年来所收集的，如果假设所有的物体都是由不可分割的原子所组成，那么有一半的资料都可证实其意义（道尔顿保留了古希腊字“原子”以表示对古代思想家的赞赏之意）。原子论提出不久，大部分的化学家都接受了这项理论。
根据道尔顿的学说，每个元素都拥有一种特别的原子，不论该元素的量有多少，都是由这种相同的原子所构成的。而且一种元素之所以不同于另外一种元素，是由于它们的原子性质不同，原子间的基本物理差异是它们的重量不同，这样，硫原子比氧原子重，而氧原子比氮原子重；依次氮原子又比碳原子重；碳原子又比氢原子重。
意大利化学家阿伏伽德罗曾将原子论应用在气体上，以证明等体积的气体（不论它的性质是什么）是由等数目的质点所组成，这就是阿伏伽德罗假说。最初认为这些质点是原子，但是最后弄清，在大部分情况下是由称为分子的小原子团所构成的。若一个分子含有不同种类的原子（像水分子，它含有1个氧原子和2个氢原子），它就是一种化合物的分子。
自然，测量不同原子的相对重量——也就是找出各元素的原子重量就变得很重要了。靠19世纪以前的称重技术要想称得微小原子的重量是不可能的，但是先称量从化合物中分离出来的每个元素的重量，再根据各种元素的化学性质来推测，就可能得到原子的相对重量。第一位系统地进行这项工作的就是瑞典的化学家贝采利乌斯。1828年，他根据两种标准发表了一个原子量的表，这两个标准是先任意地假定氧的原子量为100和氢的原子量为1。
贝采利乌斯的系统在当时并没有立即引起人们的注意；但是到了1860年，在德国卡尔斯鲁厄召开的第一次国际化学会议上，意大利的化学家坎尼札罗提出确定原子量的新方法，应用了到那时为止一直遭到忽视的阿伏伽德罗假说。坎尼札罗在会议上激动地描述了他的观点，当时曾使整个化学界都为之折服。
在那个时候，被采用作为重量标准的是氧而不是氢，因为氧较易与其它不同的元素结合（在确定原子量的方法中，与其他元素结合可算是一个关键的步骤）。1850年，比利时化学家史塔斯把氧的原子量定为16，以使已知的最轻元素——氢的原子量大约为1，精确地说是1.0080。
自坎尼札罗以来，化学家们努力寻找更准确的原子量。就纯化学的方法来说，美国化学家理查兹在这方面的研究达到了顶点。1904年及以后，他以从未达到过的精确度测定了原子量，因而得到了1914年的诺贝尔化学奖。基于稍后关于原子的物理结构的发现，理查兹的数值被修正得更精确。
在整个19世纪，虽然大部分的工作都集中在原子和分子方面，而且科学家们都相信其真实性，但是却没有直接的证据可以证明它们是确实存在的而不是抽象的东西。一些著名的科学家，像德国化学家奥斯特瓦尔德，就拒绝接受它们是实在之物，他认为它们有用却不是“真实的”。
后来的布朗运动则澄清了分子的真实性。这是1827年首先由苏格兰植物学家布朗发现的。他注意到悬浮在水面上的花粉粒会不规则地轻轻移动，以为这是由于藏在花粉粒中的小生命的缘故，但是大小完全相同的染料质点也显示同样的运动。
1863年，他首先指出移动是由于周围水分子以不同的力撞击质点。对于大的物体，从右边和左边撞击物体的水分子数目虽然有些不同，但对于物体本身却没有影响。而对于微小的物体，也许每秒只受到几百个水分子的撞击，某一边的分子稍微多几个——这边或那边——就可导致令人感觉得到的轻微移动。小质点的杂乱运动几乎成了水和一般物质的颗粒性的可见证据。
爱因斯坦对布朗运动作了理论分析，并且指出如何根据染料颗粒轻微移动的程度来计算分子的大小。1908年，法国物理学家皮兰研究了质点在重力的影响下，下沉时通过水面的行为，结果发现其下沉运动会被来自底下的分子碰撞所抵消，所以布朗运动可说是地心引力的方向相反。皮兰利用这项发现，并且根据爱因斯坦所导出的方程式，算出了分子的大小，这连奥斯瓦尔德也不得不接受这一观点。皮兰就因为这项研究获得1926年的诺贝尔物理学奖。
这样原子就从半神秘的抽象转变成为几乎实体的东西。的确，今天我们已可以说“看到”原子了。这是借助于宾夕法尼亚州立大学的E.W.米勒在1955年发明的场离子显微镜实现的，这种仪器可以从极细的针尖打出带正电荷的离子并把它们身到荧光屏上，让它们产生500万倍的针尖放大影像。这个影像可以使构成针尖的个别原子成为明亮的小点，后来又经过改进可得到每个单一原子的影像。美国的物理学家克鲁在1970年报导，已借助扫描电子显微镜观察到铀和钍的单个原子。
门捷列夫周期表
到了19世纪，当元素数目增多时，化学家们开始觉得他们好像陷入了一片浓密的丛林中。每个元素都有不同的性质，但是他们却找不到依据把它们排列成表。由于科学的本质就是要在明显的混乱中试着找出次序，所以科学家们仍然努力不懈地寻求元素性质的某种规律。
1862年，紧接坎尼札罗确定原子量为化学上的一个重要研究手段之后，法国地质学家比古耶·德·尚库图发现可以按原子量渐增的次序把元素排列成表，这样一来，性质相同的元素就排在同一行里了。过了两年以后，英国化学家纽兰兹也得到相同的排法。但是这两位科学家却遭到嘲笑和轻视，在那时他们都无法让自己的主张确切地发表出来。经过了许多年，在大家普遍承认周期表的重要性之后，他们的论文才得以发表。纽兰兹甚至还因此得到了奖章。
俄国化学家门捷列夫终于从杂乱无章的元素中理出了头绪。1869年，他和德国化学家迈耶尔共同提出了元素表，虽然基本上与比古耶·德·尚库图和纽兰兹已经做过的一样，但是门捷列夫具有比他们更大的勇气和信心来宣扬他的观点，因此得到了世人的承认。
首先，门捷列夫的周期表（之所以称为周期表是因为表中相似化学性质的元素周期性的重复出现）比纽兰兹的元素表复杂，而且也较接近目前认为正确的周期表（见表6-1）。其次，按照元素性质的排法与根据原子量排成的次序有出入，然而门捷列夫认为性质重于原子量，于是大胆地改变原来的次序。最后证实他是对的。例如，原子量为127.61的碲，若以原子量为准，则应排在原子量是126.91的碘之后。但在该分栏的周期表中，把碲放在碘的前面可以把它置于性质和它极为相似的硒的下方；同时，这样一来，也就把碘置于和它性质相似的溴的下面了。
表6-1 元素周期表。表内阴影区代表两种稀土系列：镧系和锕系，分别以第一个元素的名称命名。右下角的数字代表元素的原子量。有“*”号的元素表示具有放射性。每个元素的原子序数记在方格的上方
Ken777注：
原书此表在元素数量、标识及原子量等方面与现行元素周期表略有不同，可能是作者写作时的情况，请读者注意。 其中105号元素“钅罕”，目前审定的元素中文名为“钅杜”，后同。另，重制此表时，用不同背景色表示不同性质，如下：
最后，也是最重要的，门捷列夫毫不犹豫地在周期表上留下一些空格，并且信心十足地宣称一定还可以发现属于这些空格的元素。他还用表中待填补的元素的上下元素的性质作为参考，指出三个待补元素的大致性状。门捷列夫非常幸运，在他有生之年，他所预测的三个元素都被发现了，因此他能亲眼目睹自己所建立的系统的成功。1875年，法国化学家勒科克·德·布瓦博德朗发现了遗漏的三个元素中的第一个，并命名为镓（是以“法国”的拉丁文来命名的）。1879年，瑞典化学家尼尔森发现了第二个，并命名为钪（是以“斯堪的纳维亚”来命名的）。而在1886年，德国化学家温克勒发现了第三个，并命名为锗（当然是以“德国”这个名字来命名的）。这三个元素的性质几乎和门捷列夫所预测的一样。
原子序数
随着伦琴发现了X射线之后，周期表的历史展开了新的纪元。1911年，英国物理学家巴克拉发现，当X射线受到一块金属散射时，散射光有一定的穿透力，其大小随金属而有所不同。换句话说，每种元素可产生特征X射线。由于这项发现，巴克拉获得了1917年的诺贝尔物理学奖。
然而，X射线究竟是微小的质点束，还是像光一样的波状辐射，仍然是一个悬而未决的问题。有一种鉴定方法就是看X射线是否能借助含有一系列细线的衍射光栅而衍射（即改变射线方向）。要想得到适当的衍射，这些细线的间距必须大致与辐射线的波长大小相等。目前最密的人工衍射光栅，一般光线刚好适用，但是由X射线的穿透力得知，若X射线像波一样，则其波长一定远小于一般光线。因此一般的衍射光栅不能使X射线产生衍射。
当时德国物理学家劳厄想到，晶体是远比人工光栅更细小的天然光栅。晶体是一种几何形状整齐的固体，而在固体平面之间有一定的特定角度，并且有特定的对称性。这种规律是构成晶体结构的原子有次序地排列的结果。有理由认为，一层原子和另一层原子之间的距离大约是X射线波长的大小。如果这样，晶体会使X射线衍射。
劳厄做实验发现，X射线通过晶体时确实会产生衍射，而且在照相底片上形成一种图案，显示它们具有波的性质。同一年间，英国物理学家W.L.布喇格和他的父亲W.H.布喇格研究出计算衍射图案上各种X射线波长的方法。反过来，X射线衍射图案最后用来决定使X射线衍射的原子层的确切方向。这样一来，X射线便打开了了解晶体原子结构新知识的大门。由于在X射线方面的研究，劳厄终于获得1914年的诺贝尔物理学奖，而布喇格父子则在1915年同享该奖。
1914年，年轻的英国物理学家莫塞莱测定出由不同金属产生的特征X射线的波长，并且发现周期表中各元素的波长随周期表中的排列顺序有规则地递减。
这使每个元素在周期表上有了固定的位置。假定在周期表上位置邻近的两个元素，其所得X射线波长相差了某一期待值的2倍，那么它们之间一定有一个属于未知元素的空位。
如果差3倍的话，一定缺两个元素。换句话说，如果两个元素的特征X射线波长相差正好为期待值，则我们可确定它们之间没有缺少元素。
这样就可能给出元素的确定数目了。在这以前，常有某个新发现的元素打破这种序列，但是到了现在，就不会再有未预计到的空位了。
化学家把元素从1（氢）排到92（铀）。发现这些原子序数与原子的内部构造有相当重要的关系（见第七章 ），而且重要性超过原子量。例如，由X射线资料证明，门捷列夫不管碲的原子量比较高而硬把碲（原子序数定为52）排在碘（原子序数53）的前面，这种做法是正确的。
莫塞莱的新系统几乎立即就显出其价值。法国化学家欧本在发现镥（以“巴黎”的古拉丁名字命名）不久之后，他又宣称发现另一个元素，称之为“Celtium”。根据莫塞莱的体系，镥是71号，Celtium应该是72号。但是当莫塞莱分析Celtium的特征X射线时，发现它本来就是镥。直到1923年，丹麦物理学家科斯特和化学家赫维西才在哥本哈根实验室里发现了原子序数为72的元素，命名为铪（源于“哥本哈根”的拉丁名字）。
莫塞莱测定法的准确度获得证实之时，他已不在人世了；他1915年死于战火之中，享年28岁——莫塞莱无疑是第一次世界大战中丧生的最有价值的人之一。或许因为他的早亡，莫塞莱失去了获得诺贝尔奖的机会。瑞典物理学家西格班扩大了莫塞莱的研究，结果发现新的X射线系列，并且很精确地定出各种元素的X射线光谱，因此获得了1924年的诺贝尔物理学奖。
1925年，德国的3位学者诺达克、塔克和帕格在周期表上填补了另一空位。他们是经过3年对他们要寻找的这种元素的矿砂深入地研究后才找出75号新元素的，为了表示对莱茵河的崇敬之意，因此命名为铼。这就使周期表只剩下4个空格：元素43号、61号、85号和87号。
追踪这4个元素花了20年的时间。那时候化学家们尚不知他们找到了最后一个稳定的元素。至于缺少的都是不稳定的元素，在今天的地球上是很少存在的，因而除其中一个元素外都必须在实验室中来辨认，因此大有文章。
放射性元素
识别元素
在1895年发现X射线之后，许多科学家都兴致勃勃地去研究这些具有巨大穿透能力的辐射。其中有一位就是法国物理学家A.H.贝克勒耳。他的父亲A.E.贝克勒耳（他是第一位拍摄太阳光谱的物理学家）对荧光非常有兴趣，而荧光是当物质受到阳光中的紫外线照射后放射出来的一种可见辐射。
A.E.贝克勒耳特别研究了叫做硫酸铀酰钾的荧光物质，这是一种每个分子都含有一个铀原子的化合物。但是，A.H.贝克勒耳却很想知道硫酸铀酰钾的荧光辐射线里是否含有X射线。于是，他把这种化合物放在包上黑纸的照相底片上，然后把它放在阳光下，太阳的紫外线会激发出荧光。因为阳光不能透过黑纸，所以阳光本身不会影响底片；但是如果由阳光所激发的荧光里含有X射线，它们就会穿透黑纸而使底片变暗。他在1896年做了这项实验，结果发现果真如此，很明显在荧光里有X射线。他甚至让这种猜想的X射线透过铝和铜的薄片，从而更加确定它的存在，因为当时除了已知的X射线外，还不知道有别的射线能够做到这一点。
但是后来A.H.贝克勒耳走了运，正当实验进行之中，天气却转阴了好几天。在等待天气转晴的那段期间，他把上面有少量硫化物的底片收好，放入抽屉里。过了几天后，他等得不耐烦了，决定把底片冲洗出来，因为他想即使没有阳光直射也应该会有一点X射线产生。当他看到冲洗出来的照片时，他大感惊讶并且感受到所有科学家们梦寐以求的喜悦。原来照相底片受到强烈的辐射而变得深暗！这绝不是荧光或阳光所能办到的，必定有某种别的东西在起作用，因此，A.H.贝克勒耳断定（并通过几次实验很快就证明）这东西就是硫酸铀酰钾中所含的铀。
这项发现使得因发现X射线而深感兴奋的科学家们更加振奋。有一位科学家立即着手研究从铀发射出来的这种奇怪辐射，她就是年轻的波兰出生的化学家玛丽·斯可罗多夫斯卡（居里夫人），在这之前一年，她刚与发现居里温度（见第五章 ）的皮埃尔·居里结了婚。
皮埃尔·居里与他的弟弟雅克·居里合作，发现若外加压力于某些晶体，则一边会产生正电荷，而另一边会产生负电荷。此现象称为压电现象。居里夫人决定借助压电来测量铀放射出来的辐射。她装置了一套设备，借助铀的辐射可以游离两极间的空气，而后会有电流流动，此小电流的强度可以通过测量为产生制衡反向电流所施加结晶体的压力大小而获得。此法非常有效，因此皮埃尔·居里立刻放弃自己的工作，用其毕生精力加入其夫人的研究。
提出放射性这一术语以描述铀元素的放射能力的人就是居里夫人。她后来以第二种放射性物质——钍继续来证明该现象。此后，很快其他的科学家也陆续有许多重要的发现。从放射性物质发射出来具有穿透力的辐射线，比X射线更具有穿透力，而且能量更高；现在它们被称为γ（伽玛）射线。另外，放射性元素也被发现会放射其他种类的辐射，而这些辐射导致后来发现原子内部的结构，关于这点在另一章再谈（见第七章 ）。在讨论元素时最值得注意的是发现放射性元素在发出射线的过程中会转变为另一种元素——后来叫做嬗变。
居里夫人是第一位研究这种现象的本质的人，她是由于一个偶然的机会开始这项研究的。当她正在测试沥青铀矿是否含有值得再提炼的足够铀元素时，她和她的丈夫很惊讶地发现，其中有几块矿石的放射性甚至比纯铀应该具有的放射性还要强。当然这意味着在沥青矿里还存有其他的放射性元素。这些未知元素只能以少量存在，因为一般的化学分析都检验不出来，所以它们必定有很强的放射性。
最令居里夫妇兴奋的是，他们取得了几吨的沥青铀矿，并在一个小木棚里建造了他们的工作场所，在极为简陋的条件下，以极大的毅力驱策着他们前进——为了找出极少量的新元素，他们继续与那又黑又重的矿物奋斗。在1898年7月，他们分离出放射性强度为同量铀元素400倍的少量黑色粉末。
这种粉末是一种化学性质与碲元素相似的新元素，因此在周期表中它应该排在碲的下方（后来它的原子序数被定为84），居里夫妇把它叫做钋，是以居里夫人的祖国命名的。
但是钋只能解释粉末中的一部分放射性。于是居里夫妇继续做了更多的研究工作，并在1898年12月，提炼出了一种放射性比钋还要强的物质。该物质含有另一种元素，它的性质类似钡（后来被置于钡的下方，原子序数为88）。居里夫妇把它叫做镭，因为其放射性很强。
他们持续工作了4年，来收集足够的纯镭以便能够了解它。后来居里夫人在1903年把她的研究写成提要，作为博士论文。这也许是科学史上最重要的一份博士论文，她也因此赢得了两项诺贝尔奖。居里夫人和她的丈夫以及A.H.贝克勒耳因研究放射性而共同获得1903年的诺贝尔物理学奖；1911年时，居里夫人又因发现钋和镭而单独获得诺贝尔化学奖（因为她丈夫在1906年因车祸丧生了）。
钋和镭比铀和钍更加不稳定，换句话说，就是更具放射性，每秒有较多的原子衰变，寿命极短。事实上，宇宙里所有的钋和镭应在大约100万年里便全部消失掉。但为何在有几十亿年的地球上仍然可以找到它们呢？答案就是针和镭在铀和钍衰变成铅的过程中会继续形成。不论在哪里找到铀和钍，同样也可以发现少量的钋和镭，它们是在铀和钍最终衰变成铅的过程中的中间产物。
通过对沥青铀矿的仔细分析和对放射性物质的深入研究，在铀和钍衰变成铅的过程中发现了其他3种不稳定的元素。1899年，戴柏伦接受了居里夫妇的建议，在沥青铀矿中寻找其他的元素，后来他找出一种叫做锕（源于希腊文“射线”）的元素，此元素的原子序数最后定为89。翌年，德国物理学家多恩证实在镭衰变时会产生一种气体元素：放射性气体在当时还是一种新的东西。最后此元素被命名为氡（源自它的化学近亲镭和氩），原子序数为86。1917年，两个不同的小组——德国的哈恩和迈特纳以及英国的索迪和克兰斯顿——从沥青铀矿中分离出新元素91，命名为镤。
寻找遗漏的元素
到1925年，周期表中被确认的元素已有88种——其中有81种稳定元素和7种不稳定元素。这样寻找4种遗漏的元素（即第43号、61号、85号和87号元素）就十分迫切了。
因为从原子序数84～92的所有已知元素都具有放射性，科学家们很有信心地预测，85号和87号同样也具有放射性。另一方面，43号和61号由稳定元素包围着，又似乎没有理由预测它们本身不是稳定的；因此它们应在自然界中找到。
第43号元素，正好位于周期表铼元素之上方，预测和铼具有相似的性质并且可以在同样的矿物中找到。事实上，发现铼元素的诺达克、塔克和柏格小组相信，他们已检验出与元素43同样波长的X射线。所以他们宣布，他们也发现了43号元素，并命名为masurium，是以东普鲁士的一个区域来命名的。然而他们的鉴定并未受到肯定：在科学上，一项发现至少要有另一位研究者加以证实，否则就不算是一项发现。
1926年，伊利诺大学的两位化学家宣布，他们已经在含有其邻近元素（60和62）的矿物中，找到元素61，他们把这种发现物命名为illinium。同年，一对意大利化学家在佛罗伦斯大学认为，他们已经分离出相同的元素并命为florentium。但是这两组化学家的工作都没有得到其他化学家的证实。
数年后，一位亚拉巴马工程学院的物理学家，使用一套他自己设计的分析法，报告说他已找到少量的元素87和85；他称之为virginium和alabamine，是分别根据他的祖国及州名来命名的。但这些发现也都没有得到证实。
后来事实证明上述元素43号、61号、85号、和87号的“发现”是错误的。这4种元素中，第一个被确认的是43号元素。因发明回旋加速器（见第七章 ）而得到诺贝尔物理学奖的美国物理学家劳伦斯以高速质子撞击42号元素钼，在加速器内制造出了这个元素。这样撞击出来的物质具有放射性。劳伦斯把它送给对43号元素非常有兴趣的意大利化学家塞格雷去分析。塞格雷和他的同事佩列尔从钼元素中分出放射性部分后，发现它性质上很像铼，但却不是铼元素。他们认定它就是元素43，因为它不是由高原子序数元素衰变而成的产物，根本就不存在于地壳里，因此毫无疑问诺达克和他的同事们错认为他们已经找到它了。塞格雷和佩列尔最后获得了命名43号元素的权利；他们把它命名为锝，源于希腊字，意为“人工的”，因为它是第一个在实验室里制造出来的元素。在1960年之前，已经累积了足够的锝以确定其熔点——接近2200℃（塞格雷后来因为另一项发现得到诺贝尔奖，那项发现与另一种从实验室里制造出来的物质有关，见第七章）。
1939年，元素87终于在自然界中被发现了。法国化学家佩雷把它从铀元素的衰变产物中分离出来。元素87的存在量极少，只有在技术加以改进后才能够在以前未找到它的地方把它找出来。后来她把这个新元素命名为钫，是以她的祖国的名字来命名的。
元素85像锝一样，是在回旋加速器中撞击铋（元素83）时所产生的。1940年，塞格雷、科森和麦肯齐在加利福厄亚大学分离出元素85，那时塞格雷已经从意大利移民到美国。第二次世界大战中断了他们对此元素的研究工作，但是战后他们又继续研究，而在1947年，将这个元素命名为砹，源于希腊字，意为“不稳定”（当时，他们就像提炼钫一样，在自然界从铀的衰变产物中发现了微量的砹）。
至于第四个也是最后一个遗漏的61号元素，已经从铀裂变（此过程可见第十章 的说明）的产物中找到（锝也在这些产物中出现）。三位橡树岭国家实验室的化学家——马林斯基、格伦丁宁及科里尔——于1945年分离出61号元素。他们把它命名为钷，是根据盗取太阳之火给人类的希腊半神半人的普罗米修斯来命名的，因为61号元素是从原子炉内太阳般的烈火中盗取出来的。
至此，元素一览表从1～92终于完整了。但是从某种意义上说最艰巨的历程才刚刚开始。因为科学家已经打破了周期表的界限，铀不再是最后一个元素了。
超铀元素
对于原子序数超过铀的元素——超铀元素——的研究早在1934年就开始了。费密在意大利以一种新发现的叫做中子（见第七章 ）的亚原子粒子来轰击元素时，常把该元素转变成原子序数比它大1的元素。难道铀能造成93号元素——一种完全人工合成的元素？当时人们认为这种元素在自然界中是不存在的。费密小组继续以中子轰击铀并得到他们认为确实是93号元素的产物，称之为铀X。
1938年，费密因为研究中子轰击而获得诺贝尔物理学奖。当时，他对这项发现的真正意义，或这项发现对人类将会产生的后果，甚至连想也没有想过。像另一位意大利人哥伦布一样，他所发现的虽然不是他本来想找的东西，但重要性却远远超过他当时所能想象到的。
在这里只要指出一点就够了，人们在错误的道路上进行了一系列追索之后，终于发现费密所做的并不是创造了一种新元素，而是把铀原子分裂成两个大致相等的部分。当物理学家在1940年又着手研究这个过程时，93号元素的出现几乎可说是实验的偶然结果。以中子轰击铀得到的混合物元素中，有一种起初无法辨认的元素，使加利福尼亚大学的麦克米伦渐渐明白，也许核裂变放出来的中子把铀原子转变成原子序数更大的元素，这种推测正如费密所希望发生的一样，麦克米伦和艾贝尔森后来证明这个未鉴定的元素，事实上就是93号元素。证实这个元素存在的证据是它在放射性方面所具有的特点，这是后来新发现的所有元素的共同情况。
麦克米伦认为另一个超铀元素也许与93号元素混在一块。化学家西博格与他的同事A.C.沃尔和肯尼迪一起实验，不久便证实了这项推测，这个元素就是94号元素。
一度被认为是周期表的最末一个元素的铀，由于是以那时新找到的行星天王星来命名的，故93号、94号元素也是以后来找到的海王星和冥王星来命名：它们分别是镎和钚。后来因为发现铀矿里存有少量的镎和钚，这样铀毕竟不是最重要的天然元素了。
西博格和加利福尼亚大学的一个研究小组，其中有杰出的吉尔索，他们一个接着一个继续制造出更多的超铀元素。1944年，他们以亚原子粒子轰击钚，产生了95号和96号元素，并分别命名为镅（是以美国这个名字来命名的）和锔（是以居里夫妇来命名的）。当他们制造出足够量的镅和锔时，再以中子来轰击这些元素，于1949年成功地制造出97号元素。1950年制造出98号元素。它们分别被命名为锫和锎，是以伯克利和加利福尼亚州来命名的。1951年，西博格和麦克米伦以这一连串的成就而获得了诺贝尔化学奖。
接下来的元素则是在更加灾难性的情况下被发现的。99号和100号元素是在1952年11月太平洋第一颗氢弹爆炸时发现的。虽然在爆炸碎片里检验出这些元素的存在，但是却一直到1955年加利福尼亚大学的研究小组在实验室里造出这两种少量元素之后，才被肯定与命名。为了纪念数月前逝世的爱因斯坦和费密，命名为锿和镄。然后这个研究小组又以中子轰击少量的锿并生成101号元素。为了纪念门捷列夫，把它称为钔。
接着加利福尼亚大学和瑞典的诺贝尔研究所共同合作。诺贝尔研究所用一种特别复杂的轰击方式产生了少量的102号元素。后来为了对该研究所表示崇敬之意，把它命名为锘。此后用别的方法而不是诺贝尔研究所最先采用的方法也得到了这个元素，以致在锘正式被接受成为这个元素的名字之前，又拖了一段时间。1961年，加利福尼亚大学检验出103号元素的一些原子，为纪念刚刚去世的劳伦斯而命名为铹。1964年，苏联弗勒罗夫领导下的小组报导说已经制造出104号元素，并且在1967年制造了105号元素。但是这两项实验及其制造元素时所使用的方法没有得到确认。美国吉尔索领导下的研究小组以其他的方法造出了这两种元素。苏联小组把104号元素命名为钅库，以纪念1960年逝世的库尔恰托夫，他曾担任过苏联一个专门研究原子弹系统的领导人。而美国的研究小组却把104号元素命名为钅卢，把105号命名为钅罕，以纪念卢瑟福和哈恩，因为他们两人在亚原子结构方面有很重要的贡献。已经报导的元素达到109号。
超重元素
在攀登超铀元素的过程中，每一步都比前一步更困难。在每一个连续阶段，元素变得更难积聚和更不稳定。当到钔时，鉴定的工作只好根据17个原子来进行。幸运的是，到1955年时，辐射线检验技术有了极大的改进。伯克利的科学家们把他们的仪器装到警铃上，以便每次有钔原子产生时，钔分裂发射出来的特征辐射都能使铃声大作，来宣告已经发生了这件事（消防部门很快地就禁止了这种做法）。
原子序数较高的元素是在更罕见的情况下被检验出来的。只要注意衰变产物的细节，就可以检验出被检元素的单个原子。
科学家们除了盼望有打破纪录以及在科学史上写下他们是某种元素的发现者那种激动的欢乐外，还有什么能使他们有更进一步的努力呢（最伟大的化学家拉瓦锡，从来就没有完成过这样的发现，因此，失败的感觉经常深深地困扰着他）？
一种可能的重要发现有待挖掘。原子序数增加时，不稳定性的增加并不是均匀的。最复杂的稳定原子是铋（83号）。在它之后，从84号～89号，6种元素都非常不稳定，以致在地球形成时它们的存在量到目前已经完全消失。然而，令人惊讶的是后继的钍（90号）和铀（92号）几乎是稳定的。在地球形成时原来就存在的钍和铀之中，如今前者还存在80%，后者为50%。对这一现象，物理学家已找出原子结构的理论来加以解释（在下一章中说明）。如果那些理论是正确的话，那么110号和114号元素应该比根据它们的高原子序数所预期的更稳定。因此，作为检验理论的一种方法，人们对得到这些元素相当有兴趣。1976年有一篇报道说，某些光轮（云母中的环状黑点）可以显示出这些超重元素的存在。由小块的钍和铀放射出来的辐射会产生普通的光轮，但是有少数特大的光轮则一定是由能量更高的放射性原子所产生的，而且这些原子一定尚有足够的稳定性才能持续到今天，这些可能就是超重元素。很不幸，这种推论未受到科学家们的普遍支持而遭到搁置。科学家们仍在关注着。
电子
当门捷列夫和他的同辈发现元素在同斯表中可以排在由性质相似的物质组成的族时，他们还不明白为什么某些元素可以排入同一族，也不明白为什么性质会相关。终于一个清楚而又相当简单的答案出现了，不过这个答案是在一系列乍看起来似乎与化学并没有什么关系的发现之后才出现的。
这一切都是随着电现象的研究开始的。法拉第完成了他能想到的每个电学实验后，打算进行一次让电荷通过真空的实验。但是他不能得到适合此目的的真空。到了1854年，一位名叫盖斯勒的吹玻璃的德国人发明了一种符合要求的真空泵，并制造出从未有过的真空内封有金属电极的玻璃管。当实验者在盖斯勒管内成功地实现了真空放电时，他们注意到在负电极反方向的管壁上出现了一种绿色的辉光。1876年，德国物理学家E.戈德斯坦认为，绿色辉光是由法拉第称为阴极的负极产生的某种辐射撞击到玻璃上所引起的。E.戈德斯坦把这种辐射称为阴极射线。
阴极射线是一种电磁辐射吗？E.戈德斯坦认为是，但英国物理学家克鲁克斯和其他的人却说不是；他们认为阴极射线是某种粒子束。克鲁克斯设计改进了盖斯勒管（称为克鲁克斯管），借助这种真空管他能够证明这种射线会被磁铁偏转。因此，这种射线可能是由带电粒子所组成的。
1897年，物理学家J.J.汤姆孙证实了阴极射线也会被电荷影响而偏转，无疑解决了这一问题。然而这些阴极“粒子”是什么呢？那时候惟一知道的带负电的粒子是原子的负离子。实验证明，阴极射线粒子不可能是这种离子，因为它们受电磁场的偏转如此强，所以它们必然具有难以想象的高电荷，要不就是非常轻的粒子，质量不到氢原子的1/1000。后一解释最能与证据吻合。物理学家们已经在猜测粒子携带电流，因此这些阴极射线粒子被认为是电的基本粒子。它们被称为电子——1891年由爱尔兰物理学家斯托尼提出来的一个名字。最后电子的质量被定为氢原子的1/1837。J.J.汤姆孙由于确定了电子的存在，因而获得了1906年的诺贝尔物理学奖。
电子的发现立刻联想到电子可能是原子的亚粒子——换句话说，原子并不像德谟克利特和道尔顿所想象的是物质最终的不可分割的单位。
