古希腊人的思想
分析物体属性时，最好先从我们熟悉的“正常尺寸”的物体入手，一步一步探寻其内部结构，最终在肉眼不可见的地方锁定一切物质属性的终极源泉。一开始，我们先讨论一下餐桌上的蛤蜊浓汤吧。不是因为它既营养又美味，而是因为它是一个所谓混合物的好例子。无需显微镜即可看出，它是许多不同食材的杂烩：蛤蜊、洋葱、番茄、芹菜、土豆、胡椒、肥肉，并用盐和水一起烹煮。
日常生活中的多数物体，尤其是有机物，基本都是混合物，即是由各种各样的物质组成的，但许多时候，我们需要仰赖显微镜才能认清这一事实。比如，借助低倍显微镜（有时只需要很小的倍数即可），我们就能看出牛奶是一种由悬浮的奶油颗粒与统一的白色液体组成的乳浊液。
普通的花园土就是由各种微小颗粒组成的精细的混合物，包括石灰石、高岭土、石英、氧化铁以及其他矿物质和盐，再加上源自腐烂动植物的各种有机物质。普通花岗岩也是如此，将抛光的花岗岩表面放在显微镜下，我们能马上看出它是由三种不同物质（石英、长石和云母）的小晶体牢固地结合在一起形成的。
在研究物质内在结构这道向下的阶梯中，异质（混合）材料的构成只是第一步，或者说，我们才刚走到楼梯口，接下来，我们可以直接研究构成混合物的各种同质（纯净）成分。对于真正同质的物质，比如一段铜丝、一杯水，或房间里的空气（当然要去掉悬浮的灰尘），不论我们怎么用显微镜观察，也看不出任何由不同材料组成的痕迹，它们整体都是均匀一致的。的确，铜线等几乎所有真正的固体（排除掉玻璃等非结晶体），放大许多倍后总会显露出所谓的微晶结构。但同质材料中看到的不同晶体都具有一样的性质，只是铜丝中只有铜晶体，铝盘中只有铝晶体，就像压缩的食盐中只有氯化钠晶体一样。通过一种专门的技术——慢结晶，我们可以将盐、铜、铝或任何其他同质物质的晶体尺寸扩张到任意程度，而由此得到的“单晶”物质里里外外都是完全同质的，就像水一样。
经由肉眼和高倍显微镜观察，我们是否可以说，那些所谓的同质物质无论放大多少倍，看上去始终都一样呢？换句话说，我们能否相信，无论取多么少量的铜、盐或水，它们的性质都不会改变，并且永远可以细分为更小的碎片呢？
约2 300年前，生活在雅典的希腊哲学家德谟克利特最早提出了这个问题，并试图给出答案。他的回答是否定的。他更倾向于认为，无论一种物质看起来多么均匀，都一定是由大量（他不知道大到什么程度）非常小（他也不知道小到什么程度）的单独颗粒组成的，他称之为“原子”，即“不可分割的粒子”。不同物质中原子的数量不同，但它们性质上的不同只是表象的，而非实在的。火原子和水原子是相同的，只是表现不同而已。实际上，所有物质都由同样的永恒不变的原子组成。
德谟克利特的同代人恩培多克勒对此有不同看法。他认为存在几种不同的原子，这些原子以不同比例组合，构成了所有已知的不同物质。
基于当时较为原始的化学知识，恩培多克勒指出了四种不同类型的原子，分别对应四种所谓的基本物质：土、水、气和火。
举例来看，根据上述说法，土壤由土原子和水原子紧密混合而成，混合得越好，土质就越好；从土壤中生长出来的植物会将土原子和水原子与来自太阳光的火原子结合，形成复合的木头分子；水原子逸出后，木头就变成木柴，而燃烧木柴被视为将木头分子分解为原始的火原子（在火焰中逸出）和土原子（灰烬）的过程。
在科学起步初期，这种对植物生长和木材燃烧的解释似乎是很合逻辑的，但现在我们知道，这种解释其实是错误的。植物生长所需的大部分物质并不像古代人或无知的现代人认为的那样，是从土壤中获取的，而是从空气中获取的。土壤本身除了为生长中的植物提供支撑，并充当储存必要水分的水库外，仅贡献了植物生长所需的很小一部分盐分，正因如此，人们只需要一颗顶针那么大体积的土壤，就能种出一整株玉米来。
事实上，空气是氮气和氧气的混合物（并非古人认为的单一元素），其中还含有一定量的二氧化碳（由氧原子和碳原子构成）。在阳光作用下，植物的绿叶会吸收大气中的二氧化碳，二氧化碳会与根部吸收上来的水发生反应，生成各种有机物质，这些有机物质则构成了植物本身。这一过程也会产生氧气，其中一部分会释放回空气中，这就是“室内养绿植能清新空气”的原因了。
木头燃烧时，木头分子会重新与空气中的氧气结合，变回二氧化碳和水蒸气，从火焰中逸出。
至于古人认为能进入植物结构内部的“火原子”实际是不存在的。太阳光只提供能量，以分解二氧化碳分子，生成植物生长所需的大气养料。由于火原子并不存在，火焰当然也并非它们的“逃逸”过程；火焰只是大量被加热的气体流，由于加热过程释放了能量，而呈现出了可见的形式。
关于古今对化学变化看法的差异，再来看一个例子。你一定知道，各种金属都是用相应的矿石在高温炉里炼出来的。乍一看，大部分矿石似乎与普通石头没太大区别，所以古代科学家会认为矿石与所有石头一样都是由相同的土元素构成的也不足为奇。然而，他们发现，铁矿石放入烈火中后，会变成与普通岩石完全不同的东西，坚硬，发亮，用它能造出质量很好的刀具和矛头。他们对这一现象最简单的解释是，金属是由土与火组合而成的，换句话说，金属分子是由土原子和火原子组合而成的。
为了用这一说法来描述所有金属，他们称金、银、铜、铁等不同金属的性质源于土原子和火原子不同的构成比例。闪闪发光的金子相比暗黑的铁含有更多火原子，这不是显而易见吗？
但如果真是这样，为何不往铁或更接近的铜里加入更多火，让它们变成宝贵的黄金呢？中世纪一些讲究实际的炼金术士们也想到了这一点，为了用普通金属打造出“人工黄金”，他们将大把年华都耗费在了烟雾缭绕的锅炉房里。
从他们的角度看，他们的工作与研发合成橡胶的现代化学家没什么两样，都是很合理的。他们的理论与实践的谬误之处在于，他们相信黄金和其他金属都是复合材料，而不是基本元素。但话说回来，如果不经过尝试，我们又怎么能知道哪种物质是基本元素，哪种是复合材料呢？若非这些早期化学家徒劳地尝试化铜铁为金银，我们或许永远不会知道金属是基本化学物质，而含有金属的矿石是由金属原子与氧原子结合而成的化合物（现代化学家所说的金属氧化物）。
铁矿石在高炉烈焰的作用下转变为金属铁的原因，不是古代炼金术士认为的原子（土原子和火原子）的结合，恰恰相反，是原子的分离，即从氧化铁化合物中去除氧原子的结果。暴露在潮湿环境中的铁器表面的锈，也不是由于铁原子的分解导致火原子逃逸后留下的土原子形成的，而是由铁原子与空气或水中的氧原子结合而成的氧化铁分子形成的。[1]
从上述讨论来看，显然，古代科学家对物质内部结构和化学变化性质的看法基本正确。他们的错误在于曲解了构成物质的基本物质。实际上，恩培多克勒所列出的四种基本物质都不基本。空气是几种不同气体的混合物，水分子由氢原子和氧原子组合而成，土壤的构成非常复杂，涉及多种不同元素，最后，根本没有火原子这种东西。[2]
实际上，自然界中并非只有四种化学元素，而是有92种不同的化学元素[3]，即存在92种不同的原子。其中，氧、碳、铁、硅（大多数岩石的主要成分）等在地球上大量存在，大家也都很熟悉；另一些元素则很稀少，有些你可能闻所未闻，比如镨、镝和镧。除自然元素外，现代科学还成功地由人工制造了几种全新的化学元素，稍后，我们还会讲到这些元素。其中一种被称为钚，它注定要在原子能的释放（用于战争或和平目的）中发挥重要作用。这92种基本元素的原子以不同比例结合在一起，形成了无数复杂的化学材料，比如水、黄油，油、土，石头、骨头，茶叶、炸药等，此外还有许多诸如甲基异丙基环己烷之类的物质，普通人连读出来都很困难，但一个化学家却可将其牢记于心。如今，大量的化学书籍相继问世，这些书总结了无数原子组合的属性、合成方法以及无穷无尽的组合形式。