元素周期表盡頭是172號元素?被相對論逼入死角的化學核心!

博科園-本文為化學類

看起來，下面這張元素周期表非常的完美。但事實上，在2015年12月之前，元素周期表中的第七行並未被填滿。這些「空缺」的存在是由於一些人工合成的元素尚未得到官方認可。隨著2019國際化學元素周期表年的到來，已被正式確認發現的元素共有118個。

元素周期表根據原子序數（原子核中的質子數）遞增的順序排成行，根據原子最外層電子的構型排成列。電子構型通常決定元素的性質、大小和形狀。例如，佔據第一列的是如鋰和鉀一類的軟金屬，它們會與其他物質發生劇烈的反應；而能與其他物質劇烈反應的非金屬元素（如氟和碘）佔據周期表的另一列。

1869年門捷列夫（Dmitri Mendeleev）寫下的元素周期表，不僅預測了當時未知元素的存在，還預測了它們的性質。據科學史學家Michael Gordin的描述，起初，甚至連門捷列夫也沒有認識到他的發現有多重要。如果他意識到了周期系統的含義，可能就不會在1869年3月去考察奶酪生產合作社時，將它草草地交給俄羅斯化學學會的門舒特金（N.A. Menshutkin）負責了。但這種情況很快就改變了，到了1871年，門捷列夫非常明確地相信，他得出了一條新的化學定律。

隨著化學家不斷合成新的元素，這一定律正被推到極限。當原子序數越來越高時，一些新元素的化學性質也已經不再與同一族中的其他元素類似。有人擔心這可能會破壞深植於周期表背後的基本原理，畢竟元素周期表正是因為這種周期性而得名的。那麼到底還有多少元素有待發現？元素周期表會有盡頭嗎？我們何時才能抵達終點？

對於一部分科學家而言，這些問題並不有趣。他們認為發現新元素不值得耗費那麼多的精力和資金，尤其是這些原子本身就非常不穩定，只能存在極短的時間。但對於元素「獵人」而言，這卻是一個令人興奮的挑戰。尋找新元素將對元素周期表的第八行（現在只有七行）進行填充，有一些理論預測第八行的元素將出現一些奇特的性質。這一行中的元素很有可能會破壞周期表的周期性，因為它們的化學和物理性質或許將不再以固定的間隔重複。而對新元素的探索將有望回答我們的這些疑惑。

1. 創造新元素

「最輕的化學元素是什麼？」 化學家可以肯定地回答道：「氫！」 但如果我們問：「最重的化學元素又是什麼？」 這個問題的答案卻是各式各樣，並夾雜著各種不確定性（這裡「最重」是指原子序數最高的化學元素）。在20世紀40年代之前，學生在課堂上所學習到的已知最重的元素是鈾（原子序數為92）。但總有人喜歡挑戰，突破極限，他們猜想肯定有比鈾更重的元素。

不久後，物理學家就在核反應堆與核爆炸中發現了新的元素，比如錼（Np）、鈽（Pu）、鋂（Am）、鑀（Es，以愛因斯坦的名字命名）等。然而，在100號元素鐨（Fm，以物理學家費米的名字命名）之後，就算用上如氫彈般大的威力也不足以再產生新的元素了。因此，科學家們決定改變策略。

他們利用加速器對較輕元素的離子進行加速，然後將它們朝原子序數較高的元素的原子核發射，希望離子束中的原子核能與靶原子核融合，從而形成一個新的、更重的原子核。然而，這樣的事件很少發生，因為即使發生了碰撞，它也必須在適當的能量下發生：能量過低，原子核就會互相反彈；能量太高，新的原子就會炸裂開。以這種方式創造的第一個元素是以門捷列夫命名的鍆（mendelevium，Md）。

在上世紀50年代到70年代，美國和俄國的研究中心將對元素的研究不斷向前推進。每隔幾年，就會有一種新的元素被發現並命名，最終達到106號元素譎（Sg，以核物理學家西博格的名字命名）。隨著德國的GSI亥姆霍茲重離子研究中心將方法改變為「冷聚變」（將一束低能量的離子束聚焦於高原子序數的靶核上），德國開始在新元素的探索方面佔據上風。利用這種方法，科學家發現了107號元素訏（Bh，以物理學家尼爾斯·玻爾的名字命名）到112號元素鎶（Cn，以哥白尼名字命名）的各種元素。

創造出新元素的快樂是短暫的。目前，已知最重的元素是118號元素，以核物理學家奧加涅相（Yuri Oganessian）的名字命名，他在《科學美國人》上寫道：「通過用較輕原子核的離子束轟擊較重的原子核，科學家製造出了超重原子核，它們非常不穩定，以至於常常在被製造後的極短時間內就分裂了。「

當科學家想要製造新的超重元素時，他們所面臨的阻力也越來越大。在原子量較低的元素中，質子和中子因為強核力結合在一起。但是當越來越多的質子被壓縮到原子核時，強核力開始被庫侖力抵消。庫侖力使帶相同電荷的粒子相互排斥。大多數超重原子核會在幾毫秒內就發生核裂變，分裂成更輕的元素，或者先放出幾個α粒子（由兩個質子和兩個中子組成），然後再分裂開來。

2. 在穩定之島的海岸

有了113到118號元素，發現者們正在接近一個誘人的目標：穩定島。據理論預測，當原子核中包含一定數量的質子和中子時，原子核會變得更加穩定和長壽。鈣（Ca）、鎳（Ni）、錫（Sn）和鉛（Pb）就有著異常穩定的原子核。理論家們相信，這是因為這些元素的質子和/或中子數為「幻數」。這些「幻數」對應於可以使原子核更加穩定的填滿了的核殼層。

理論推測的穩定島的三維示意圖。圖片：維基百科質子和中子數為幻數的元素周圍聚集著一些元素，由它們形成的「穩定島」吸引著研究超重元素的研究人員。但我們尚不清楚穩定島在元素周期表中的確切位置。有的新合成的元素似乎更穩定：117號元素的一種形式有177個中子，可以在112毫秒內穩定存在。下一個中子「幻數」預計為184，但目前為止，177是中子數量的最大值。科學家們可能離穩定島的海岸越來越近了，但他們還在海中沉浮未能上岸。

這是因為哪怕只生產微量的新超重元素都是一項非常艱巨的任務。創造117號元素是一個特殊的挑戰。唯一能製造出足夠數量的靶元素鉳（Bk）的地方是美國田納西州的橡樹嶺國家實驗室，與奧加涅相進行碰撞實驗的俄羅斯杜布納相距數千英裡。在杜布納的實驗計劃開始兩年之前，鉳元素的製造就已經開始了。他們經過250天的輻照，生產出了足夠的鉳，之後又經過90天的加工過程進行提純。

然後倒計時開始：具有放射性的鉳，半衰期為327天。所有22毫克的鉳都必須在加速器和粒子束流可用的時間窗內被迅速運送到杜布納的聯合核研究所。實驗成功了：通過用鈣核轟擊珍貴的鉳靶150天，他們最終製造出了117號元素，但得到的數量非常有限，只有6個原子。2017年12月，日本的理化學研究所（RIKEN）已經開始著手創造下一個超重元素——119號元素。位於杜布納奧加涅相的團隊準備從2019年開始搜尋第119號元素。早在2007年，杜布納和德國GSI的研究人員就開始嘗試合成120號元素。不過到目前為止，還沒有發現其中任何一種元素的跡象。

3. 進入未知

為填滿元素周期表的第八行而作出的努力或許能帶來對原子物理學的新洞察。元素的化學性質具有周期模式，因為這些性質在很大程度上是由原子核周圍電子佔據的空間決定的，尤其是原子核最外層的區域。這些區域在數學上被描述為「軌道」，大小和形狀都是離散的，而且外層軌道的結構會以周期性或者說重複的方式變化。因此，不同原子序數的原子可以具有相似的形狀，這使得那些具有相同外層軌道形狀的元素區具有重複或「周期性」的模式。對於121號元素，電子將佔據一個全新的軌道——之前從未曾謀面的g軌道。

元素周期表還能延伸多長仍然是一個懸而未決的問題。我們究竟能走多遠？上世紀40年代，玻爾曾預言100號元素鐨將是周期表的最後一種元素。但自那之後我們已經取得了長足的進步。費曼預測，137號元素將是最後一個元素。但沒有人真正知道周期表會在哪裡結束。周期表的盡頭是根據相對論計算得出的。當原子核越來越大，原子核中的質子越多時，這意味著吸引電子的庫倫力就越大，所以，圍繞原子核運動的電子的速度就會越來越快，達到接近光速。

在如此高的速度下，電子變得具有「相對論性」，原子的性質也會非常不同於按元素周期表中的位置所預示的那樣。按照計算的預測，電子的運動速度終將可以超過光速，但這顯然是不可能的。在此基礎上，一些科學家預測，周期表的盡頭可能是172號元素，因為或許到了這一步，原子具有足夠的質子去迫使電子做不可能的事。

化學家Pekka Pyykk提出的元素周期表模型，認為元素周期表的終點是172號元素。沒有人知道超過這個點以上會發生什麼，但出於量子力學的原因，原子核可能會開始吞噬電子，並與質子融合在一起，產生中子。這個過程將繼續下去，直到質子數開始下降到172，這為原子序數提供了一個上限。圖片：維基百科我們在日常生活中也會看到元素的一些相對論效應。在金原子中，電子以比光速的一半更高的速度繞著原子核旋轉。這改變了電子的軌道，使得金元素會吸收藍光，而其他顏色（頻率）的光子被反彈回來。我們觀察到的是白光減去藍光——形成一種獨特的金黃色光芒，使得金元素有別於在元素周期表中環繞在它周圍的其他銀色元素。

如果不懂得相對論，就無法解釋金（Au）的顏色。新發現的元素的化學性質是否會遵循周期性，或者相對論效應是否會導致周期性定律出現裂縫？由於製造出來的新的超重原子的量非常小，化學家無法用傳統的方法來研究它們（比如把元素放入燒瓶中，然後觀察它與其他化學物質的反應）。相反，他們設計實驗來獲得與元素性質有關的簡單的「是或否」的答案，例如問：在非常低的溫度下，112號元素是否會像金屬一樣與黃金結合？

早在20世紀90年代就有實驗表明，鈩（Rt，104號元素）和觀（Db，105號元素）的屬性與它們在元素周期表中的位置不相符。根據周期性定律，這兩種元素應該與各自正上方的元素——鉿（Hf）和鉭（Ta）具有相似的行為。然而事實卻是，鈩在發生化學反應時與在元素周期表中離它非常遙遠的鈽元素類似，而觀在發生化學反應時則與相距甚遠的錒元素類似。不過，並非所有的超重元素都表現得出人意料。譎（Sg，106號元素）和訏（Bh，107號元素）的行為就與門捷列夫的表格所預測的一致，關於它們的學術論文被命名為「平凡到奇怪的譎」和「無聊的訏」。

周期表保持周期性與否對非常重的原子並沒有重大的實際意義，至少在可預見的未來是如此。周期表對於超重元素預測能力的喪失不會影響表中其他部分的有用性。然而，狹義相對論效應的問題卻觸及了化學這門學科的核心。如果周期性定律因為狹義相對論而失去它的預測能力，那麼化學將更加依賴於物理學。但是如果周期性定律仍然（在很大程度上）有效，那麼化學將能得以保持一定的獨立性。

博科園-科學科普文轉自: 原理/principia1687博科園-傳遞宇宙科學之美

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