元素周期表能无限延伸吗？这篇最强科普长文说分明了

本文转自“生活中化学”： 元素周期表能无限延伸吗？这篇最强科普长文说分明了

我们知道，自上世纪30年代以来，科学家们又发现了许多新的化学元素。

2015年12月30日，化学元素周期表再次添加新成员。国际地道与应用化学分离会正式确认发现四种新的化学元素，而且这四种元素均已在实验室中生成。

元素周期表能否能继续延伸？

这种发现趋向能否还能够继续下去？究竟还有多少种新的化学元素等候我们去发现？有科学家以为，即便元素周期表没有边疆，但是随着它的不时扩展，肯定会呈现奇特的现象。

2015年12月30日，国际地道与应用化学分离会正式确认发现四种新的化学元素。一些讲演以为，这些元素“完善”了化学元素周期表。

这种见地或许并不正确。能够置信，在此次批量发现新元素之后，肯定还有更多的新元素会不时被发现。不外，这一发现过程可能会持续很长时间，由于新元素会越来越难以发现和生成。

这四个新元素能够做到的“完善”，只是填满了化学元素周期表的第七行。假如再发现第119号或120号元素，它们将另起一行，继续扩展化学元素周期表。

随着新元素越来越多，没有人知道化学元素周期表究竟会扩展多长。有人狐疑，可能没有极限。也有一些人以为，可能会有一个临界点，即原子再也无法变得更重，由于这种庞大的原子是完整不稳定的，它们会立刻以辐射的方式快速消散。

但有一件事是明白的，假如我们试图制造出更重的元素，就可能发现它们的行为方式是极端怪异的。

元素是化学物质的最基本构件，一种元素其实是一种只包含一类原子的物质。因而，制造一种新元素就意味着制造一种新原子。每一种元素被赋予一个序号，好比碳的序号是6。这些序号并非只是随意赋予的数字标签，而是具有一种最基本的含义，它们特指原子所包含的质子数。

质子也是一种基本粒子，位于原子的中心部分，带有正电荷，带有负电荷的电子绕着原子核运转。除了氢原子外，原子核还包含有第二种粒子--中子，这是一种质量简直与质子相同但不带电荷的粒子。一种元素的原子能够具有不同数量的中子，这种变体被称为“同位素”。

中子起到一种粘合剂的作用，用于将质子约束在一同。假如没有中子，质子由于带有正电荷而相互排斥。

同理，一些较重原子的原子核(如铀)也包含有许多相互排斥的质子，以至中子也无法将它们聚合在一同。这样的原子具有“放射性衰变”，即释放粒子和能量。当一个原子衰变时，其原子核中的质子数量在不时变更。

因而，这种放射性衰变过程也会将一种元素变成另一种元素。这种说法听起很奇特，其实这一过程无时不刻发作于我们身边，以至发作于我们体内的某种原子。

每一种原子核具有最理想的质子与中子比例，因而假如原子具有太多或太少中子，它们就会衰变。

自然元素是如何构成的？

关于较轻元素，如碳或氧，这种稳定的比例恰恰是1：1，较重元素需求中子稍微超出。宇宙的自然过程只能生成一定质量的元素。最轻的五种元素，从氢到硼，大多是生成于宇宙大爆炸过程中。更重的元素则只需生成于恒星中。

在恒星内部，极端的高温高压环境迫使较轻元素的原子核聚合于一同，这就是所谓的“核聚变”。

较大的恒星能够生成较重的元素，好比汞原子核中具有80个质子。不外，元素周期表中许多元素却是生成于恒星爆炸或超新星爆炸的猛烈环境中。庞大的能量释放也能够完成新类型的聚变，如一种原子撞入另一种原子，从而生成像铀这样的元素，铀的质子数为92个。

核聚变反响需求大量的能量，由于正电荷的原子核会排斥另一种原子核。原子核必须求极速运动冲破这种障碍并兼并在一同。因而，铀是自然界具有相当数量的最重元素，还没有发现自然过程能够生成比铀更重的元素。

2017年，人类探测到双中子星碰撞产生的引力波，并观测到有大量的黄金合成，黄金的重量相当于数千颗地球的。

如何人工制造元素？

科学家要想制造新的元素，就必须应用粒子加速器将需求对撞的原子加速到一个极高的速度，以至要抵达光速的十分之一。

这一目的在1939年完成了。美国加州大学伯克利分校科学家生成了第93号元素，即镎。两年后，这一研讨团队又制造出第94号元素--钚。

科学家们很快发现，钚和铀一样会以极快的速度自发衰变，即核裂变，其大质量原子核会简直一分为二，释放出庞大的能量。这一严重发现很快被投入应用，这种在粒子加速器中生成的钚被用于制造了核武器，即1945年在日本长崎投放爆炸的原子弹--“胖子”。钚的发现不时被当作军事秘密，直到第二次世界大战终了后。

图注：胖子原子弹，里面填装的就是元素钚

第二次世界大战终了后，物理学家又开端寻觅新的元素。几十年来，美国关于此项研讨的主要基地是伯克利，而往常大多数实验都已转移到了劳伦斯利福摩尔国度实验室。

美国、俄罗斯和日本之间的竞赛

俄罗斯方面的主要研讨基地则是建于1956年的杜布纳分离核研讨所。最初，美国人在这场核竞赛中处于抢先位置，因而第95、97、98号元素分别被称为镅(americium)、锫(berkelium)和锎(californium)。

但是其它的新元素的发现途径则完整不同，它们被发现于1950年代美国氢弹爆炸实验的废墟中。这些元素是在猛烈的爆炸中由核弹中的铀聚合而成。

因而，第99号和第100号元素分别以核科学范畴两位先驱的名字命名，即锿以着名科学家爱因斯坦命名，而镄则以着名物理学家恩里科-费米命名。

随着冷战的加剧，美苏之间关于核科学研讨的竞争愈加猛烈。

从1950年代末到1970年代初，伯克利和杜布纳分离核研讨所科学家不时在争论究竟是谁最先生成了第102、104、105和106号元素。国际地道与应用化学分离会对此做出了最终判决，直到1997年才将第104号元素鑪的发现者明白为伯克利，将105号元素（钅杜）的发现者明白为杜布纳分离核研讨所。同时，第107号元素的竞争则是由杜布纳分离核研讨所和新的对手之间中止，即德国重离子研讨实验室，该实验室德文简称为GSI，位于达姆施塔特。最终，两家单位都被以为是该元素的发现者。

早期的人造元素都是应用较轻原子轰击较重原子生成的。但是，德国重离子研讨实验室则找到了另一种方式，即应用聚合两种中等大小的原子核，好比应用锌、镍和铬离子轰击铅和铋。经过这样的方式，德国重离子研讨实验室发现了第108号元素，并将其命名为(钅黑)。近年来，新元素的生成则很少靠单打独斗，更多则是分离研讨的成果。

好比2015年发现的四种新元素，既有美国人的功劳，也有俄罗斯和德国人的贡献。国际地道与应用化学分离会表示，最早确信发现第117号元素和第115号元素的人包含俄罗斯杜布纳分离核研讨所、美国橡树岭国度实验室以及劳伦斯利福摩尔国度实验室等几家单位，他们的成果来自于2010年到2012年间的各项实验。杜布纳分离核研讨所和劳伦斯利福摩尔国度实验室于2006年开端协作，并胜利发现了第118号元素。

当然，这些成果并非是毫无争议的。俄罗斯人不时对将第113号元素认定由日自己发明而耿耿于怀。第113号元素被国际地道与应用化学分离会确以为由日本理化学研讨所旗下仁科加速器研讨中心的超重元素研讨小组“森田研讨小组”发现。俄罗斯人以为，杜布纳分离核研讨所最早于2003年就已初次应用钙轰击镅，而日自己的实验则是在一年后，日自己是应用锌离子轰击铋。

一切这些争议的中心是，究竟什么才算是真正有压服力的结果。国际地道与应用化学分离会的专家决议了这一结果，但这种决议究竟很客观。这些元素是经过对它们的放射性衰变特性中止检测的。每一种同位素具有不同的衰变过程，每一种同位素分别以自己的速度中止衰变，以半衰期中止丈量。由于这种微小的信号必须在与其它原子核聚合过程中中止探测，因而肯定哪一家声明更有压服力并不容易。

思索到这些难点，我们似乎曾经看到了原子大小的上限。但是，我们还是有很好的理由进入周期表的第八行。开启元素周期表第八行的确令人振奋，由于这将意味着我们不再像以往那样生成原子。

原子中的电子是以电子壳的方式排列的，每一层电子壳具有特定的电子数量，正是这些电子壳决议了原子的行为方式以及周期表的外形。第一层壳通常容纳2个电子，氢原子有1个，氦有2个。第二层壳能够容纳8个电子。这就是为什么周期表的第二行有8个成员。更高层的电子壳具有更多的电子。

新发现的四种新元素是元素周期表第七行的最后成员。假如我们能够发现第119号元素，它将是第八行首个成员，因而这种元素第八层壳的电子数为1个。不外，这种极端的元素可能会突破现有周期表的组织规则。每一列的元素具有相似的特性，这是由于它们的最外层电子壳以同样的方式排列。

好比，最左侧一列的元素都是活性金属，在它们的外层壳只需一个电子。这是一种不稳定状态，原子有可能失去自己独一的电子。相反，最右侧一列外层壳电子满员，这就意味着它们是很难发作化学反响的，因而它们被称为惰性气体。

究竟还有多少元素等候我们去发现？

不外，这些规则可能并不适用于一切超重元素。在它们的原子中，位于原子核左近的电子被正电荷的原子核紧紧吸收，它们以极快的速度运转。它们的速度适用于爱因斯坦的相对论，即物质移动速度越接近光速越会增加质量。

因而，内层电子变重，这种连锁反响会带动外层电子，而外层电子则能够决议元素的化学特性。结论就是这种连锁反响意味着超重元素的行为方式可能并不像我们所以为的那种方式。

此外，超重元素似乎是越重衰变得越快。这就意味着不只仅很难研讨它们的化学特性，而且更难以生成它们，即便生成了也难以检测它们的化学特性。同理，能够估量较大原子核的稳定性。因而，没有任何证据证明我们无法进入元素周期表第八行。

事实上，超重元素并非总是越重越不稳定。还是有一些原子核相对短命，存在于“稳定岛”中。这要依赖于中子数量和质子数量。粒子物理学家发现，原子核中的质子和中子也像电子一样以壳的方式，电子壳越满状态越稳定。氦、氧、钙和铅都具有一个满员电子壳，因而它们异常稳定。同样的，中子壳满员也意味着稳定性。

但是，往常看起来，这种稳定性在122号元素之前并不是决议性的。鈇也能够从原子核壳效应中取得稳定性。鈇-298估量半衰期大约为17天，这关于超重元历来说曾经是极高的规范了。已知寿命最长的同位素鈇-289半衰期为2.6秒。

往常并不分明能否一切超重元素都能够维持足够长时间。能否有一个临界点，即原子至此已无法再重，否则它们将不可能存在？

美国物理学家理查德-费曼则以为如此。他经过公式计算得出结论，原子核中不可能有超越137个质子，理由是最内层的电子，即第一层电子壳没有稳定的轨道。

换句话说，第137号元素的原子核将无法控制住它们。不外，费曼的公式采用了一个近似值，即原子核大小近似为零，事实上当然不是。

当中止更为精确计算时，在第173号元素之前，最内层电子的能量似乎并未呈现异常现象。第173号元素的最内层电子可能处于一种与众不同的不稳定状态，即可能产生“虚拟”粒子。换句话说，这些重元素的电子云可能有时会释放出反物质粒子。

因而，即便元素周期表没有边疆，但是随着它的不时扩展，肯定会呈现奇特的现象。当然，我们未来能否能够发现这些极端元素，则另当别论。

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