元素周期表尽头是172号元素？被相对论逼入死角的化学核心！

看起来，下面那张元素周期表十分的完美。但事实上，在2015年12月之前，元素周期表中的第七行并未被填满。那些“空缺”的存在是因为一些人工合成的元素尚未得到官方承认。跟着2019国际化学元素周期表年的到来，已被正式确认发现的元素共有118个。

元素周期表按照原子序数（原子核中的量子数）递增的挨次排成行，按照原子最外层电子的构型排成列。电子构型凡是决定元素的性量、大小和外形。例如，占据第一列的是如锂和钾一类的软金属，它们会与其他物量发作猛烈的反响；而能与其他物量猛烈反响的非金属元素（如氟和碘）占据周期表的另一列。

1869年，门捷列夫（Dmitri Mendeleev）写下的元素周期表，不只预测了其时未知元素的存在，还预测了它们的性量。据科学史学家Michael Gordin的描述，起初，以至连门捷列夫也没有认识到他的发现有多重要。若是他意识到了周期系统的含义，可能就不会在1869年3月去考察奶酪消费合做社时，将它草草地交给俄罗斯化学学会的门舒特金（N.A. Menshutkin）负责了。但那种情况很快就改动了，到了1871年，门捷列夫十分明白地相信，他得出了一条新的化学定律。

跟着化学家不竭合成新的元素，那必然律正被推到极限。当原子序数越来越高时，一些新元素的化学性量也已经不再与统一族中的其他元素类似。有人担忧那可能会毁坏深植于周期表背后的根本原理，究竟结果元素周期表恰是因为那种周期性而得名的。那么到底还有几元素有待发现？元素周期表会有尽头吗？我们何时才气抵达起点？

关于一部门科学家而言，那些问题其实不有趣。他们认为发现新元素不值得消耗那么多的精神和资金，尤其是那些原子自己就十分不不变，只能存在极短的时间。但关于元素“猎人”而言，那却是一个令人兴奋的挑战。寻找新元素将对元素周期表的第八行（如今只要七行）停止填充，有一些理论预测第八行的元素将呈现一些奇异的性量。那一行中的元素很有可能会毁坏周期表的周期性，因为它们的化学和物理性量或许将不再以固定的间隔反复。而对新元素的摸索将有望答复我们的那些疑惑。

1. 缔造新元素

“最轻的化学元素是什么？” 化学家能够必定地答复道：“氢！” 但若是我们问：“最重的化学元素又是什么？” 那个问题的谜底却是形形色色，并同化着各类不确定性（那里“最重”是指原子序数更高的化学元素）。在20世纪40年代之前，学生在课堂上所进修到的已知最重的元素是铀（原子序数为92）。但总有人喜好挑战，打破极限，他们料想必定有比铀更重的元素。

不久后，物理学家就在核反响堆与核爆炸中发现了新的元素，好比镎（Np）、钚（Pu）、镅（Am）、锿（Es，以爱因斯坦的名字定名）等。然而，在100号元素镄（Fm，以物理学家费米的名字定名）之后，就算用上如氢弹般大的能力也不敷以再产生新的元素了。因而，科学家们决定改动战略。

他们操纵加速器对较轻元素的离子停止加速，然后将它们朝原子序数较高的元素的原子核发射，希望离子束中的原子核能与靶原子核交融，从而构成一个新的、更重的原子核。然而，如许的事务很少发作，因为即便发作了碰碰，它也必需在恰当的能量下发作：能量过低，原子核就会互相反弹；能量太高，新的原子就会炸裂开。以那种体例缔造的第一个元素是以门捷列夫定名的钔（mendelevium，Md）。

在上世纪50年代到70年代，美国和俄国的研究中心将对元素的研究不竭向前推进。每隔几年，就会有一种新的元素被发现并定名，最末到达106号元素（Sg，以核物理学家西博格的名字定名）。跟着德国的GSI亥姆霍兹重离子研究中心将办法改动为“冷聚变”（将一束低能量的离子束聚焦于高原子序数的靶核上），德国起头在新元素的摸索方面占据优势。操纵那种办法，科学家发现了107号元素（Bh，以物理学家尼尔斯·玻尔的名字定名）到112号元素鎶（Cn，以哥白尼名字定名）的各类元素。

缔造出新元素的快乐是短暂的。目前，已知最重的元素是118号元素，以核物理学家奥加涅相（Yuri Oganessian）的名字定名，他在《科学美国人》上写道：“通过用较轻原子核的离子束轰击较重的原子核，科学家造造出了超重原子核，它们十分不不变，以致于常常在被造造后的极短时间内就团结了。“

当科学家想要造造新的超重元素时，他们所面对的阻力也越来越大。在原子量较低的元素中，量子和中子因为强核力连系在一路。但是当越来越多的量子被压缩到原子核时，强核力起头被库仑力抵消。库仑力使带不异电荷的粒子彼此排挤。大大都超重原子核会在几毫秒内就发作核裂变，团结成更轻的元素，或者先放出几个α粒子（由两个量子和两个中子构成），然后再团结开来。

2. 在不变之岛的海岸

有了113到118号元素，发现者们正在接近一个诱人的目的：不变岛。据理论预测，当原子核中包罗必然数量的量子和中子时，原子核会变得愈加不变和长命。钙（Ca）、镍（Ni）、锡（Sn）和铅（Pb）就有着异常不变的原子核。理论家们相信，那是因为那些元素的量子和/或中子数为“幻数”。那些“幻数”对应于能够使原子核愈加不变的填满了的核壳层。

理论揣测的不变岛的三维示企图。图片：维基百科

量子和中子数为幻数的元素四周聚集着一些元素，由它们构成的“不变岛”吸引着研究超重元素的研究人员。但我们尚不清晰不变岛在元素周期表中确实切位置。有的新合成的元素似乎更不变：117号元素的一种形式有177个中子，能够在112毫秒内不变存在。下一个中子“幻数”估计为184，但目前为行，177是中子数量的更大值。科学家们可能离不变岛的海岸越来越近了，但他们还在海中沉浮未能上岸。

那是因为哪怕只消费微量的新超重元素都是一项十分艰巨的使命。缔造117号元素是一个特殊的挑战。独一能造造出足够数量的靶元素锫（Bk）的处所是美国田纳西州的橡树岭国度尝试室，与奥加涅相停止碰碰尝试的俄罗斯杜布纳相距数千英里。

在杜布纳尝试方案起头两年之前，锫元素的造培养已经起头了。他们颠末250天的辐照，消费出了足够的锫，之后又颠末90天的加工过程停止提纯。然后倒计时起头：具有放射性的锫，半衰期为327天。所有22毫克的锫都必需在加速器和粒子束流可用的时间窗内被敏捷运送到杜布纳的结合核研究所。尝试胜利了：通过用钙核轰击珍贵的锫靶150天，他们最末造造出了117号元素，但得到的数量十分有限，只要6个原子。

2017年12月，日本的理化学研究所（RIKEN）已经起头动手缔造下一个超重元素——119号元素。位于杜布纳奥加涅相的团队筹办从2019年起头搜索第119号元素。早在2007年，杜布纳和德国GSI的研究人员就起头测验考试合成120号元素。不外到目前为行，还没有发现此中任何一种元素的迹象。

3. 进入未知

为填满元素周期表的第八行而做出的勤奋或许能带来对原子物理学的新洞察。元素的化学性量具有周期形式，因为那些性量在很大水平上是由原子核四周电子占据的空间决定的，尤其是原子核最外层的区域。那些区域在数学上被描述为“轨道”，大小和外形都是离散的，并且外层轨道的构造会以周期性或者说反复的体例变革。因而，差别原子序数的原子能够具有类似的外形，那使得那些具有不异外层轨道外形的元素区具有反复或“周期性”的形式。关于121号元素，电子将占据一个全新的轨道——之前从不曾碰面的g轨道。

元素周期表还能延伸多长仍然是一个悬而未决的问题。我们事实能走多远？上世纪40年代，玻尔曾预言100号元素镄将是周期表的最初一种元素。但自那之后我们已经获得了长足的前进。费曼预测，137号元素将是最初一个元素。但没有人实正晓得周期表会在哪里完毕。周期表的尽头是按照相对论计算得出的。当原子核越来越大，原子核中的量子越多时，那意味着吸引电子的库伦力就越大，所以，围绕原子核运动的电子的速度就会越来越快，到达接近光速。在如斯高的速度下，电子变得具有“相对论性”，原子的性量也会十分差别于按元素周期表中的位置所预示的那样。

根据计算的预测，电子的运动速度末将能够超越光速，但那显然是不成能的。在此根底上，一名科学家预测，周期表的尽头可能是172号元素，因为或许到了那一步，原子具有足够的量子去迫使电子做不成能的事。

化学家Pekka Pyykkö提出的元素周期表模子，认为元素周期表的起点是172号元素。没有人晓得超越那个点以上会发作什么，但出于量子力学的原因，原子核可能会起头吞噬电子，并与量子交融在一路，产生中子。那个过程将继续下去，曲到量子数起头下降到172，那为原子序数供给了一个上限。图片：维基百科

我们在日常生活中也会看到元素的一些相对论效应。在金原子中，电子以比光速的一半更高的速度绕着原子核扭转。那改动了电子的轨道，使得金元素会吸收蓝光，而其他颜色（频次）的光子被反弹回来。我们察看到的是白光减去蓝光——构成一种奇特的金黄色光辉，使得金元素有别于在元素周期表中环绕在它四周的其他银色元素。

若是不懂得相对论，就无法解释金（Au）的颜色。

新发现的元素的化学性量能否会遵照周期性，或者相对论效应能否会招致周期性定律呈现裂痕？因为造造出来的新的超重原子的量十分小，化学家无法用传统的办法来研究它们（好比把元素放入烧瓶中，然后察看它与其他化学物量的反响）。相反，他们设想尝试来获得与元素性量有关的简单的“是或否”的谜底，例如问：在十分低的温度下，112号元素能否会像金属一样与黄金连系？

早在20世纪90年代就有尝试表白，鈩（Rt，104号元素）和（Db，105号元素）的属性与它们在元素周期表中的位置不相符。按照周期性定律，那两种元素应该与各自正上方的元素——铪（Hf）和钽（Ta）具有类似的行为。然而事实却是，鈩在发作化学反响时与在元素周期表中离它十分遥远的钚元素类似，而 在发作化学反响时则与相距甚远的锕元素类似。不外，并不是所有的超重元素都表示得出人意表。 （Sg，106号元素）和 （Bh，107号元素）的行为就与门捷列夫的表格所预测的一致，关于它们的学术论文被定名为“普通到奇异的 ”和“无聊的 ”。

周期表连结周期性与否对十分重的原子并没有严重的现实意义，至少在可预见的将来是如斯。周期表关于超重元素预测才能的丧失不会影响表中其他部门的有用性。然而，狭义相对论效应的问题却触及了化学那门学科的核心。若是周期性定律因为狭义相对论而失去它的预测才能，那么化学将愈加依赖于物理学。但是若是周期性定律仍然（在很大水平上）有效，那么化学将能得以连结必然的独立性。

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文转自: 原理/principia1687

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