我們填滿了元素周期表的第七行，能開始第八行嗎？

文：毛團 / 煎蛋網

從20世紀30年代開始，科學家們已經現了幾十種新化學元素。還會有新的化學元素被發現嗎？

2015年12月30日，化學科學正式獲得四個新課題。國際理論與應用化學聯合會(IUPAC)證實發現了四種新的化學元素，這些新元素是在實驗室中被創造出來的。

有報道稱，這些新元素使元素周期表變得完整。這種說法是錯誤的，我們可以繼續期待這批化學元素之后發現新的元素。這可能需要我們等待一段時間，因為化學元素的創造會變得更加困難。

四種新元素完善的是元素周期表的第七行，如果發現原子序數為119和120的元素，元素周期表將會開始新的一行。

沒有人知道通過創造新的元素可以將元素周期表延長多少。有些人懷疑延長是無限制的。另一些人則認為有一個原子的承重點，因為如此巨大的原子完全不穩定，瞬間瓦解在一連串的放射性反應中。

但是有一點是很清楚的，如果我們設法創造越來越重的元素，我們會發現元素以他們真正獨特的方式表現。

元素是化學的基本構建塊。元素本質上是一種只包含一種原子的物質。制造一個新的元素意味著制造一種新的原子。

每個元素都分配有一個數字：例如，碳元素對應的是數字6。這些數字不是隨意標記，都有一個基本的意義。他們指定一個原子(一種基本的粒子)包含多少質子。

“這聽起來古怪但其實是每時每刻都在發生的，甚至是你身體里的一些原子。”

質子帶有正電荷，他們在原子的中心聚集成一點。平衡質子的帶有負電荷的更輕的擴散電子云繞原子核外的“軌道”而行。

除了氫原子外，原子核也包含另一種粒子：中子，與質子的重量幾乎完全相等，但是中子不帶電荷。元素的原子可以有不同數量的中子，這些變種可以稱為“同位素”。

中子像膠水一樣將質子約束在一起。如果沒有他們，質子間的正電荷作用力會將質子分開。

盡管如此，很重原子的原子核擠滿了相互排斥的質子，即使是中子的優勢也不能把它們粘在一起，例如鈾。這些原子進行“放射性衰變”——它們放射粒子和能量。

“更大的恒星可以產生更重的元素，如汞。”

當一個原子衰變時，原子核中的質子總數會發生變化，在放射性衰變過程就變成另一個元素。這聽起來很古怪，甚至是你身體里的一些原子。

每個類型的原子核都有一個最佳的中子質子比。所以如果他們有過多或過少的中子,原子就會衰變，即使是很小的原子核。

輕元素如碳和氧，穩定比例率是1:1。較重的元素需要稍微過量的中子。

宇宙的自然過程只能產生某些重量的元素。

從氫到硼的最輕的五個元素大多創造于宇宙起源的大爆炸。

任何較重的元素都是產生于恒星的內部。在那里，高溫和高壓迫使輕元素的原子核融合在一起，這就是所謂的核聚變。更大的恒星可以產生更重的元素，如汞，在其核有80個質子。

“一直到第二次世界大戰以后，钚的發現仍然是軍事秘密。”

但是元素周期表中很多元素是在恒星或“超新星”劇烈爆炸的環境中產生的。原子間的相互碰撞釋放巨大的能量，使原子發生融合作用，產生像擁有92個質子的鈾這種較重的新元素。

因為帶正電荷的原子核互相排斥，所以這些核聚變反應需要大量的能量。一個原子核必須快速移動穿過這個屏障，并且與另一個原子核合并。

得出一個結論，鈾是從自然界中發現的最重的元素，在自然過程中沒有發現比它更重的元素。

所以當科學家想要制造新的元素，他們必須使用粒子加速器來加速原子的碰撞速度，這個速度可能是光速的十分之一。

“戰爭結束后，物理學家們開始認真地尋找新的元素。”

1939年，科學家在加州大學伯克利分校第一次創造了被稱為“镎”的93號元素。

兩年后，這個團隊用“重氫”核轟擊鈾，每一個核都包含一個質子和一個中子。結果是94元素：钚。兩年后，這個團隊用含有一個質子和一個中子的“重氫”原子核撞擊鈾核，得到了94號元素：钚。

他們很快就意識到，钚像鈾一樣會在一個叫做核裂變的過程中自發衰變。其龐大的原子核幾乎分裂一半，釋放出大量的能量。

這一發現很快就被應用了，在1945年8月，利用粒子加速器制造的钚元素被使用在投放到長崎上的巨大的原子彈上。一直到二戰結束后，钚元素的發現依然是軍事秘密。

戰爭結束后，物理學家們開始認真地尋找新的元素。

“美蘇兩國之間的競爭產生了一些激烈的爭議，是關于研究優先權的爭奪。”

幾十年來，美國這項研究的中心實在伯克利分校，但現在，大部分的活動已經轉移到大約距此40公里處的勞倫斯利弗莫爾國家實驗室。蘇聯的核研究工作基礎在1956年成立于莫斯科杜步納的聯合研究所(JINR)。

最初，美國研究比蘇聯超前，得到了95號、97號和98號元素，分別稱為镅，锫和锎。

他們在20世紀50年代從美國的氫彈爆炸試驗中被發現，這些元素是在鈾彈核炸過程中的“導火索”中產生的。

因此，元素99號和100號不是利用產地命名而是根據兩位核科學家的名字命名：锿-艾伯特愛因斯坦；鐨-恩里科費米。

隨著冷戰的深化，美蘇兩國之間的競爭產生了一些激烈的爭議，是關于研究優先權的爭奪。

“俄羅斯很不高興，113號元素被判定為日本發現的。”

從19世紀50年代到19世紀70年代，伯克利實驗室和JINR團隊一直爭論誰先發現102號、104號、105號和106號元素。IUPAC會判定這樣的爭議，一直到1997年104號元素(爐)被判定給伯克利實驗室和105號元素(釷)被判定給JINR團隊。

同時，JINR團隊與在達姆施塔特的新成員——德國重離子研究實驗室(德國簡稱GSI)107號元素的得分權的歸屬。107號元素的得分權最終使這兩個團隊分裂。

早期的人工元素是由撞擊較輕的元素原子核制造的，然而GSI研究人員發現合并兩個中型原子核的方法得到新的元素，例如，利用鋅、鎳和鉻離子轟擊鉛靶和鉍靶。通過這種方式，GSI最先制造出108號元素，命名為钅黑。

現在元素的制造更具協作性。制造新的四個元素時，匯集了美國、俄羅斯和德國的資源。

“我們似乎到達原子大小的上限了。”

IUPAC表示，關于115號和117號元素合成成功最能使人信服的原因是JINR(在田納西州的橡樹嶺國家實驗室)和利弗莫爾實驗室在2010年和2012年間共同努力進行的實驗。JINR與利弗莫爾的獨立合作開始于2006年，并且他們那是發現了118號元素。

然而，這一切并不是非常值得樂觀的，。俄羅斯很不高興，113號元素的發現被歸屬于日本埼玉的理化學研究中心(以加速器為基礎科學的實驗室)，并且命名為“japonicium”。

JINR表示他們最早在2003年通過鈣粒子融進鎂粒子的方法得到113號元素。日本實驗則是在一年后通過鋅離子加速撞擊鉍離子的方式得到113號元素。

問題是怎樣就這些爭議得出一個令人信服的結論。IUPAC的專家有權利決定結果，雖然這個結果也是相當主觀的結果。

檢測到新元素是因為一般一個原子在一個時間內通過特殊的方式進行放射性衰變。每個同位素衰變過程不同，它們以自己的速度衰減，計算半衰期(采取樣品的衰減一半的時間)。

這些微妙的信號已經在其他核變過程中被發現，因此它很難決定說法是否具有說服力。

鑒于這些困難，看上去我們似乎已經達到了原子大小的上限。然而這是個充分的理由來開始元素周期表的第八行。

“這些爭議的問題在于怎樣得到一個令人信服的結果。”

元素周期表新一行的開始前景是值得期待的，因為這意味著我們創造出了不同于我們以前見過的新原子。

電子在原子表面形成的組織被稱為殼，每個電子殼都有特殊的能力，這些電子殼確定原子的行為方式和元素周期表的形狀。

第一層殼只能容納2個電子：氫原子只有一個，氦原子有兩個。第二層殼可以容納8個電子，這就是為什么周期表的第二行有八個元素成員。更高層的外殼可以容納更多的電子。

四個新元素是第七行的最后成員。如果我們能創造119號元素，那119號元素將會是第八行的第一個新成員并且元素的第八層電子殼只有一個電子。

這樣極端的元素很可能打破現有的管理元素周期表的規則。

“‘對論’效應可能意味著超重型元素并不像我們所期望的那樣。”

元素周期表中同一列的元素具有相似的屬性，這是因為它們的電子層最外層有相同的電子。

例如，最左列的元素都是活潑金屬。它們最外層電子層只有一個電子，這個電子很不穩定，原子很容易失去這個電子。

相比之下，最右列的元素都有完整的電子，這意味著它們很難發生化學反應，因此它們被稱為“惰性氣體”。

但是這些規則并一定涉及到所有的超重元素。

電子核附近的電子以極快的速度運行是因為他們被帶正電荷的原子核緊緊束縛。電子運動很快以至于它們感受到愛因斯坦的狹義相對論理論(陳述物體接近光速移動獲得質量)的影響。

“可能會有一些超重元素的原子核相對長壽。”

結果，內部電子變得越來越重。外層電子決定元素的化學行為是是個連鎖效應，因為電子電荷使電子能感受到彼此的運動。

結果是“相對論”效應可能意味著超重型元素并不像我們所期望的。情況似乎像是钅盧(104號元素)和釷(105號元素)，并不包括钅喜(106號元素)或钅黑(108號元素)。

即使研究這種影響是驚人的技術壯舉，它需要研究少量元素的化學行為，并且這些行為僅存在幾秒鐘。

更重要的是，超重元素往往是越重衰減越快。這意味著不僅僅是研究其化學行為變得更難，對于制造新的超重元素也變得更難。
同樣，當我們制造元素時，我們可以估算出這些較大的原子核的穩定性和它們能夠維持的時間。所以原則上似乎沒有理由讓我們不開始元素周期表的第八行。

“現在看來,這個特殊的穩定可能不出現,直到122號元素。”

事實上，超重元素可能不總是不穩定的。在存在穩定范圍內可能會有一些原子核相對長壽。這決定于中子和質子的數量。

核物理學家已經發現原子核的質子和中子像軌道電子一樣，形成層狀組織布滿原子核。呈“神奇的數字”對應，并形成特別穩定的原子核。

氦、氧、鈣、錫和鉛的原子核都有一個充滿質子的殼層，使它們的原子核特別穩定。充滿中子的殼層也可以使原子核穩定。同位素鉛-208就是同時擁有充滿質子和中子的質子層和中子層。

超重核的計算揭示了神奇的數字很難確定的，并且目前還不大清楚這些數字有什么規律。

“我們期待幾個原子最好能存在幾天不發生衰變。”

曾認為，114號元素(被命名為鈇，以紀念蘇聯原子物理學家喬治·弗洛伊洛夫)的兩種同位素原子核擁有雙重(質子和中子)殼層，因此會相對穩定。這些同位素有184和196個中子，因此被稱為鈇-298和鈇-310。

現在看來,在122號元素以前，這個特殊的穩定可能不出現。

鈇仍然可能獲得一些穩定的核殼層影響。根據超重元素的衰變標準預測鈇-298預計大約有17天的半衰期。到目前為止，最長壽命的同位素鈇-289的半衰期僅為2.6秒。

目前尚不清楚是否存在超重元素能夠從原子開始在可感知范圍內將持續足夠的時間的積累。但是這看起來似乎不大可能。我們期待最好的可能是幾個原子能存在幾天不發生衰變。
除此之外，有一個新的觀點：當原子多重時以至于它們根本無法存在?

“對粒子有時會突然虛無的存在。”

美國物理學家理查德·費曼這樣認為。他進行了粗略的計算表明,制造一個含有137個質子的原子核的原子是不可能的。

起因是最內層的電子沒有穩定的軌道，換句話說，含有137個質子的原子核不能再繼續約束它們。

然而，費曼計算時假設原子核大小接近為零，這個假設是不可能成立的。當計算更加精確時最內層電子的能量似乎沒什么不良現象發生，這種實驗一直持續到原子系數為173的元素。

即使這樣原子可以保持穩定，但是還是有奇怪的變化出現。

“即使元素周期表沒有結束，在遙遠的將來將會有新奇的發現等著我們。”

像其他所有在這些微小的尺度上,所有這一切都歸結到量子力學。

這告訴我們，和其他奇怪的事情一樣，對粒子有時會突然虛無的存在。一個粒子是由物質和反物質組成，例如，一個粒子是由一個電子和另一個相對應的正電荷組成。通常情況下，兩個立即碰撞并相互湮滅。

這說明，173號元素最內層的電子可能會在一個不同尋常的,不穩定的狀態下喚起這些“虛擬”的粒子。

如果這些電子被踢出電子層，例如通過使用X射線，會留下一個洞，這個洞將由一個從虛無中產生的電子填滿，但是對于這個電子的形成，正電荷也必須對應形成，這將是原子發出的。

換句話說，這些元素的巨大的真實的電子云偶爾可能會射出反物質粒子。

即使元素周期表沒有結束，在遙遠的將來將會有新奇的發現等著我們。我們是否會探索這些極端的元素完全是另一回事。
翻譯：毛團，原文：http://www.bbc.com/earth/story/20160115-how-many-more-chemical-elements-are-there-for-us-to-find

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