初中教科书把元素定义为“具有相同核电荷数（即质子数）的同一类原子的总称”。这个非常绕口的多少有些学究气的说法，使人感到高深莫测。其实，我们周围世界的一切物质都是由元素组成的：桌上的书、写字的纸笔、穿的衣服、各种用品，就是人体本身，无不含各种元素。截至1999年12月，人类已确证的元素为115种；据科学推测，化学元素最多可达218种。自然界的物质种类很多。仅就纯化合物而言，至1991年，在《美国化学文摘》（略写为C.A.，是目前世界上最大的摘录各种化学论文的杂志，为每一位科学工作者，特别是化学工作者所熟悉和称道）登记的为1000万种，1998年达1800万种。至于混合物就更多了。但组成这些物质的化学元素并不多，在自然界中稳定存在的只有92种。在声音的世界里，也有类似的现象。就乐音来说，从如泣如诉的情歌，到气势磅礴的冲锋号，从恬静梦幻的摇篮小调到悲壮低回的殡葬曲，只是由7个音符组成的。在颜色的领域里也大体如此。从春天花园里的万紫千红到变幻悠悠的朝霞夕彩，从超市货架的琳琅满目到各级名模的璀璨时装，它们的色光都可分解为三原色或七色。从遥远的古代起，元素就以其特有的魅力吸引着人们的追求，成为人类智慧之树上的一朵鲜花。
智慧之花
迄今，这几十种化学元素主要是在地球上发现的，并归纳在元素周期表中；然而从各种陨石、恒星光谱以及阿波罗登月火箭带回的岩石样品中，还未发现地球上没有的元素。由此可知，元素确实是地球上的、太阳系的乃至整个宇宙的物质基础。
人类研究元素的历史十分悠久。我国远在商、周时代就提出，并在战国时代形成了金、木、水、火、土的“阴阳五行”说；在古希腊，有火、气、水、土“四元素”说；古印度的孔雀王朝时代，也产生了地、水、风、火“四大元素”说。今天来看这些幼稚而蒙昧的思想，体现了人类在文明的黎明时期对元素这一物质本源进行的艰苦探索。早先，远古的人们着眼于长生不老；秦始皇派遣徐福带领童男童女去海上仙岛求灵丹妙药以享天年。随后，道家进行炼丹，丹也称金丸、红丸。《西游记》中太上老君的八卦炉和《儒林外史》中一段诳称能将残金属变成黄金的骗人故事，都代表了人类从石器时代到金属时代过渡中对元素的追求和在当时元素有关理论推动下的诸多发现。人们终于得到了7种至今仍然广泛应用的金属，即金、银、铜、铁、锡、铅、汞，这也是最初的元素。它们为文明带来了新的曙光。
在这些较古老的元素中，人们对铁特别重视。还在远古就由于天降铁陨石，而将铁称为“天石”（埃及）、“天降之火”（美索不达米亚，即现在的伊拉克），对它非常崇拜，并用它做太阳神像的宝座。我国河北省藁城县的商代遗址中，出土过镶嵌着铁刃的铜质兵器。这说明，我国人民早在3300多年前已相当熟悉铁的性质和锻造技术了。
科学的化学元素概念的提出是近300多年的事。1661年英国科学家玻意耳发表了《怀疑派化学家》一书，对以亚里士多德为代表的古典学说，包括前述“四元素”学说提出质疑和挑战，并首次在实验的基础上指出：“元素是指某种原始的和完全纯净的简单物质”，树立了科学的元素概念的第一块里程碑。
如今，随着科学技术是第一生产力这一思想的深入人心，科学研究特别是元素发现及其原子量测定的工作很受人们的关注，因为原子量是一种元素的最重要的基本参数。这方面，我国也有引为自豪的成果。中国科学院资深院士梁树权（1912—），1939年，他27岁时在德国慕尼黑大学以铁的原子量测定作为博士论文题目，所得结果发表于当年的世界著名的《无机和普通化学杂志》上。他测得的铁原子量55.847，于翌年为国际原子量委员会采用；直到1993年才让位于质谱法的结果55.845。这个工作经历了半个多世纪（53年）的考验。时间是一位公正的裁判者，要通过它的考验，必须工作本身过硬才行。优秀的自然科学工作者，就讲究精确性，来不得半点含糊。就拿当年梁先生的博士论文来说吧。第一步实验是提纯所用的试剂，如溴、硝酸银、铁、三酸、氨水等；继而在惰性气体中合成溴化银；最后测定FeBr2∶2Ag11次，FeBr2∶2AgBr8次。为了防止玻璃漏斗和烧杯带进杂质，要用铂制品。实验所用的水需用石英容器进行3次以上蒸馏。梁树权教授关于铁原子量测定的经典工作，可以说是中国化学家在元素周期表上的一个闪光点。
17世纪以前，神学在人们生活中占统治地位，人成了神的奴隶。那时，科学被认作异端邪说，技术则被广泛地视为雕虫小技，科学家则是不务正业的浪子。在产业革命浪潮的冲击下，经过100年的不断的思想解放，科学与民主的思想逐步得到胜利，到18世纪的科技革命热潮中，化学元素的发现捷报频传。当时谁如果发现了一种新元素，就会得到莫大的荣耀。1789年法国科学家拉瓦锡在燃烧的氧气学说基础上，推出著名的《化学教程》一书，指出“元素是用任何方法都未能分解的物质”，肯定其物质本源地位，并列出有33种元素的表。80年后，1869年的3月1日，俄国化学家门捷列夫提出了含63种元素并有原子量约值的按化学性质递变排列的第一个完整的元素周期表，这是元素研究的一块丰碑，体现了化学的空前的光辉成就。20世纪初发现了放射性，表明元素有天然的、自发的可分性。于是，1906年俄国化学家戈尔包夫定义“元素是用任何人工方法未能分解的物质。”虽然和拉瓦锡的定义相比，未见有很大实质性改进，但仍然预示了某种变革的来临，人们期盼新的成果。
1913年26岁的英国研究家莫斯雷发现了周期表中元素的原子序和其原子的核电荷之间的关系，揭示了化学元素的本质。可惜的是，这位优秀的青年学者两年后应征服役在加利波利战斗中阵亡。人们说，这是第一次世界大战的最大损失。与此同时，莫斯雷的同胞索第引入了同位素概念，解释了原子量为什么带有小数。1917年波兰化学家法扬斯在《化学元素概念和同位素现象》的著名论文中提出，“元素是用任何物理方法或化学方法都不能分解为更简单的组成部分的物质”；“同位素是用任何人工方法不能分解的物质”。1930年美国著名的化学家鲍林认为原子的核电荷数体现元素的实质，提出了列在我们今天的教科书上的元素的经典定义。至此，化学元素概念的演变展示了20世纪科学的最新成就，凝聚了几百年来各国科学探索者的心血，是人类智慧的一朵鲜花。
全新领域
在经历了对我们周围物质世界中元素性质的漫长研究后，近几十年来科学工作者把目光投向了更富魅力的一个新领域，即微量元素特别是生命中微量元素领域。也就是对植物、动物，特别是人体及其生存环境中直接与生命活动有关的那些微量元素的功能和性质规律的探索。什么是微量元素呢？我们在日常生活中常会碰到几对量词：宏观与微观、大量与小量、主量与痕量、常量与微量等。以前，在工农业产品中，映入眼帘的常常是列车、轮船、粮食、果蔬等大件；影响它们的功能和性质的主要成分是特定大量的金属元素或非金属元素。后来，特别在第二次世界大战以后随着原子能、半导体等新材料的问世，痕量杂质的影响突出起来。近二三十年来，在环境科学、生命科学的推动下，人们进一步体验到占基体（如水、大气和生物体）百万分之几（ppm，10-6）、10亿分之几（ppb，10-9）的极低量成分的影响不可忽视，甚至起决定性作用。例如，饮用水中氟的含量应以每升1毫克为佳，过此则易导致中毒，引起齿、骨的病变；又如1984年报道，如在10千平方米面积上给5～6万棵植物施10克钼酸盐，可使豆科植物增产30％～40％，有时达200％，这时的钼量约为这些生物体重的亿分之几。这里涉及的微量概念与日常生活中指某一绝对的小量物质如“一点点”、“轻如鸿毛”等不同，而是一个含量或浓度概念，也就是一个相对的或比较的概念。在化学里，低浓度的物质用痕量来衡量，指试样或研究对象中含量在万分之一（0.01％）以下。而在生命科学里，微量元素指活的生物体内含量为痕量级的对生命过程起重要作用的特定元素。
究竟有哪些微量元素呢？这是以人为本位并参照其他生物（主要是植物），根据数学模式计算确定的。对于一体重70千克的男性“参考人”，据大量统计，已知其体内约含近60种元素，按其含量（％）排列，居于前24位的是：氧61，碳23，氢10，氮2.6，钙1.4，磷1.0，硫0.2，钾0.2，钠0.14，氯0.12，镁0.027，硅0.026，铁0.006，氟0.0037，锌0.0033，铷0.00046，锶0.00046，溴0.00029，铅0.00017，铜0.00010，铝0.00009，镉0.00007，硼0.00007，钡0.00003，……通常把位于硅以前，总量占体重99.71％的12个元素列为常量元素；而把铁以后总量占体重0.3％以下的数十种元素划入微量范围。但是量少的元素不等于微量元素，就其生理功能而言，迄今业已确认14种微量元素，即铁、碘、铜、锰、锌、钴、铜、硒、铬、锡、钒、氟、镍、硅为高等动物所必需；硼则是植物的必要成分。此外，还有20多种量少的元素普遍存在于生物组织中，其生理效应还未被认识。如镉、砷、汞还有争议，因此微量元素的范围将会随着诊断方法和检测手段的完善而扩大、修正或作适当调整。例如，近年来对锗的研究日益深入，将其归属于微量元素行列的呼声也愈加高涨。
尽管生命问题对化学来说，一直是富有吸引力和挑战性的，并且早在1832年就报告了萎黄病（严重贫血症）患者血中含铁量明显低于健康人及1850—1854年观察到地方性甲状腺肿与食物缺碘有关，但忙于频繁战乱和开荒殖民地的人类，无暇顾及与自身直接有关的环境问题。只是在近几十年相继弄清了汞、镉、铅的污染引起的诸多环境病（地方病、癌症、畸胎）因，并使用了许多新技术，如放射性同位素示踪、中子活化、原子吸收、等离子体光谱等各种联用手段后，生命中微量元素的奥秘才被逐步揭开。在此基础上，将开发防治疑难和特殊病症的新药物，并提出许多新的有效的保健措施，预测到不久的将来，人类的平均寿命将达150岁，而且即使到老年也能精力饱满；将翻新和逐步完善各种环境治理和保护手段，使蓝天、碧水、绿地、鲜花常驻我们的家园，美化生活，提高质量；将会推出许多饲料和肥料的微量元素增强剂，大幅度地提高产量，显著地改善品种，为人类创造大量财富。所有这些将给生命科学研究注入新的活力，赋予微量元素研究这一全新领域以无限的希望和蓬勃的生机，鼓舞着人们为之敬业和献身。
群芳吐艳
经过近几十年来的开拓与发展，目前微量元素这一科学与新技术所依托的园地，正处在她的春潮阶段。在工业、农业、医药各行业产生了许多以微量元素为对象的研究学科，迅速成为前沿和热点。在生命科学研究中，微量元素研究将是其重要甚至核心内容，对于人类在未来将要面临的许多难题如全球性污染、天然资源和能源的枯竭、人口膨胀严重影响生存等的解决有重要意义。
营养作用是微量元素研究关注的首选功能，涉及对植物的营养和人类平衡膳食组成。波涛汹涌的蔚蓝色的海洋，蕴藏着无限丰富的食物之源，是人类起源的摇篮，也是微量元素的聚宝盆。海带可以上万倍地浓缩碘，是迄今最重要的制碘原料和优碘食物；某些海洋生物可最佳地利用微量元素（如铁、钼）的催化作用，实现迅速繁殖。据估测1公顷40厘米深的海面，在充分光照下，每昼夜可收获512千克藻类，折合蛋白质256千克，其效率是任何陆地作物无法比拟的。庄稼一枝花，全靠肥当家。微量元素肥料是增产农作物的希望，人们早就知道施用锌、锰、硼、钼、铁等微肥，增产效果显著。稀土微肥是我国的近几十年的发明，1979年成立了全国稀土农用攻关协作网，开发了一系列稀土农用新技术，能使水稻、花生、甘蔗、蔬菜、茶叶、水果、蔗类、橡胶等多种农作物增产10％左右。研制最充分有利于健康、延年益寿的理想膳食，是营养学工作者梦寐以求的目标，也受到从家庭主妇、儿童教育工作者到政府主管部门的关注，微量元素的平衡组成是其重要项目。我国有关科研部门已推荐出食物中铁、锌、碘、硒含量，对各种微量元素的生物可用性、同化作用、排出机制等正进行广泛研究，提出不少微量元素添加剂和强化剂。
毒害及防治作用是微量元素研究的重要内容，地方病和癌症是人们关注的重点。目前我国地方病患者多达0.6亿，其中克山病、大骨节病与环境缺硒有关；流行于28个省市的地方性氟中毒是饮用水或食物中的高氟含量所致。我国在病区采用补硒的防治措施，使克山病的发病率从13％降低到0.02％，是用微量元素征服疾病的创举之一。致癌，目前已知铬、镍、砷、铝、铊等元素有致癌作用，而硒、锌、镁、钼、铜有抑癌功能。贵金属（如铂、钯等）的某些络合物已成为抗肿瘤性的重要药物，无机微量元素药物化学正在迅速发展。
