悬疑：化学元素周期表是否有边界?

　　元素之一--铜。

　　一些元素会释放放射性粒子。

　　据国外媒体报道，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增添新成员。国际纯粹与应用化学联合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。这种发现趋势是否还能够继续下去？究竟还有多少种新的化学元素等待我们去发现？有科学家认为，即使元素周期表没有边界，但是随着它的不断扩展，肯定会出现奇怪的现象。

　　2015年12月30日，国际纯粹与应用化学联合会正式确认发现四种新的化学元素。一些报告认为，这些元素“完善”了化学元素周期表。这种看法也许并不正确。可以相信，在此次批量发现新元素之后，肯定还有更多的新元素会不断被发现。不过，这一发现过程可能会持续很长时间，因为新元素会越来越难以发现和生成。

　　现在，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。如果再发现第119号或120号元素，它们将另起一行，继续扩充化学元素周期表。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。有人怀疑，可能没有极限。也有一些人认为，可能会有一个临界点，即原子再也无法变得更重，因为这种巨大的原子是完全不稳定的，它们会立即以辐射的形式快速消散。但有一件事是明确的，如果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其怪异的。

　　元素周期表会越来越大。

　　钚被用于生产原子弹，即投放于日本长崎的“胖子”。

　　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。因此，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，比如碳的序号是6。这些序号并非只是随意赋予的数字标签，而是拥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，位于原子的核心部分，带有正电荷，带有负电荷的电子绕着原子核运行。除了氢原子外，原子核还包含有第二种粒子--中子，这是一种质量几乎与质子相同但不带电荷的粒子。一种元素的原子可以拥有不同数量的中子，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起。如果没有中子，质子因为带有正电荷而互相排斥。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，甚至中子也无法将它们聚合在一起。这样的原子拥有“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断变化。因此，这种放射性衰变过程也会将一种元素变成另一种元素。这种说法听起很奇怪，其实这一过程无时不刻发生于我们身边，甚至发生于我们体内的某种原子。每一种原子核拥有最理想的质子与中子比例，因此如果原子拥有太多或太少中子，它们就会衰变，即使它们的原子核很小。

　　对于较轻元素，如碳或氧，这种稳定的比例恰好是1：1，较重元素需要中子稍微超出。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。更重的元素则只有生成于恒星中。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起，这就是所谓的“核聚变”。较大的恒星可以生成较重的元素，比如汞原子核中拥有80个质子。不过，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剧烈环境中。巨大的能量释放也可以完成新类型的聚变，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。

　　核聚变反应需要大量的能量，因为正电荷的原子核会排斥另一种原子核。原子核必须要极速运动冲破这种障碍并合并在一起。因此，铀是自然界拥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。科学家要想制造新的元素，就必须利用粒子加速器将需要对撞的原子加速到一个极高的速度，甚至要达到光速的十分之一。这一目标在1939年实现了。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，这一研究团队又制造出第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，其大质量原子核会几乎一分为二，释放出巨大的能量。这一重大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”。钚的发现一直被当作军事秘密，直到第二次世界大战结束后。

　　俄罗斯杜布纳联合核研究所内部。

　　俄国著名化学家德米特里-门捷列夫发表了世界第一份元素周期表。

　　第二次世界大战结束后，物理学家又开始寻找新的元素。几十年来，美国关于此项研究的主要基地是伯克利，而现在大多数实验都已转移到了劳伦斯利福摩尔国家实验室。俄罗斯方面的主要研究基地则是建于1956年的杜布纳联合核研究所。最初，美国人在这场核竞赛中处于领先地位，因此第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全不同，它们被发现于1950年代美国氢弹爆炸试验的废墟中。这些元素是在剧烈的爆炸中由核弹中的铀聚合而成。因此，第99号和第100号元素分别以核科学领域两位先驱的名字命名，即锿以著名科学家爱因斯坦命名，而镄则以著名物理学家恩里科-费米命名。

　　随着冷战的加剧，美苏之间关于核科学研究的竞争更加激烈。从1950年代末到1970年代初，伯克利和杜布纳联合核研究所科学家一直在争论究竟是谁最先生成了第102、104、105和106号元素。国际纯粹与应用化学联合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确为伯克利，将105号元素？?的发现者明确为杜布纳联合核研究所。同时，第107号元素的竞争则是由杜布纳联合核研究所和新的对手之间进行，即德国重离子研究实验室，该实验室德文简称为GSI，位于达姆施塔特。最终，两家单位都被认为是该元素的发现者。

　　第117号元素原子核。

　　铝原子的简单电子壳。

　　早期的人造元素都是利用较轻原子轰击较重原子生成的。但是，德国重离子研究实验室则找到了另一种方式，即利用聚合两种中等大小的原子核，比如利用锌、镍和铬离子轰击铅和铋。通过这样的方式，德国重离子研究实验室发现了第108号元素，并将其命名为？?。近年来，新元素的生成则很少靠单打独斗，更多则是联合研究的成果。比如此次发现的四种新元素，既有美国人的功劳，也有俄罗斯和德国人的贡献。国际纯粹与应用化学联合会表示，最早确信发现第117号元素和第115号元素的人包括俄罗斯杜布纳联合核研究所、美国橡树岭国家实验室以及劳伦斯利福摩尔国家实验室等几家单位，他们的成果来自于2010年到2012年间的各项实验。杜布纳联合核研究所和劳伦斯利福摩尔国家实验室于2006年开始合作，并成功发现了第118号元素。

　　当然，这些成果并非是毫无争议的。俄罗斯人一直对将第113号元素认定由日本人发明而耿耿于怀。第113号元素被国际纯粹与应用化学联合会确认为由日本理化学研究所旗下仁科加速器研究中心的超重元素研究小组“森田研究小组”发现。俄罗斯人认为，杜布纳联合核研究所最早于2003年就已首次利用钙轰击镅，而日本人的实验则是在一年后，日本人是利用锌离子轰击铋。

　　铬原子的复杂电子壳。

　　带负电荷的电子。

　　所有这些争议的核心是，究竟什么才算是真正有说服力的结果。国际纯粹与应用化学联合会的专家决定了这一结果，但这种决定毕竟很主观。这些元素是通过对它们的放射性衰变特点进行检测的。每一种同位素拥有不同的衰变过程，每一种同位素分别以自己的速度进行衰变，以半衰期进行测量。由于这种微弱的信号必须在与其它原子核聚合过程中进行探测，因此确定哪一家声明更有说服力并不容易。

　　考虑到这些难点，我们似乎已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确实令人振奋，因为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形式排列的，每一层电子壳拥有特定的电子数量，正是这些电子壳决定了原子的行为方式以及周期表的形状。第一层壳通常容纳2个电子，氢原子有1个，氦有2个。第二层壳可以容纳8个电子。这就是为什么周期表的第二行有8个成员。更高层的电子壳拥有更多的电子。

　　新发现的四种新元素是元素周期表第七行的最后成员。如果我们能够发现第119号元素，它将是第八行首个成员，因此这种元素第八层壳的电子数为1个。不过，这种极端的元素可能会打破现有周期表的组织规则。每一列的元素拥有相似的特性，这是因为它们的最外层电子壳以同样的方式排列。比如，最左侧一列的元素都是活性金属，在它们的外层壳只有一个电子。这是一种不稳定状态，原子有可能失去自己唯一的电子。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生化学反应的，因此它们被称为惰性气体。

　　一个氦原子拥有两个质子两个中子。

　　究竟还有多少元素等待我们去发现？

　　不过，这些规则可能并不适用于所有超重元素。在它们的原子中，位于原子核附近的电子被正电荷的原子核紧紧吸引，它们以极快的速度运行。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。因此，内层电子变重，这种连锁反应会带动外层电子，而外层电子则能够决定元素的化学特性。结论就是这种连锁反应意味着超重元素的行为方式可能并不像我们所认为的那种方式。此外，超重元素似乎是越重衰变得越快。这就意味着不仅仅很难研究它们的化学特性，而且更难以生成它们，即使生成了也难以检测它们的化学特性。同理，可以估计较大原子核的稳定性。因此，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长寿，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形式，电子壳越满状态越稳定。氦、氧、钙和铅都拥有一个满员电子壳，因此它们异常稳定。同样的，中子壳满员也意味着稳定性。然而，现在看起来，这种稳定性在122号元素之前并不是决定性的。鈇也可以从原子核壳效应中获得稳定性。鈇-298预计半衰期大约为17天，这对于超重元素来说已经是极高的标准了。已知寿命最长的同位素鈇-289半衰期为2.6秒。

　　现有118种元素。

　　现在并不清楚是否所有超重元素都能够维持足够长时间。是否有一个临界点，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-费曼则认为如此。他通过公式计算得出结论，原子核中不可能有超过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。不过，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。当进行更为精确计算时，在第173号元素之前，最内层电子的能量似乎并未出现异常现象。第173号元素的最内层电子可能处于一种异乎寻常的不稳定状态，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。

　　因此，即使元素周期表没有边界，但是随着它的不断扩展，肯定会出现奇怪的现象。当然，我们将来是否能够发现这些极端元素，则另当别论。