元素周期表的尽头:探索与挑战

作者: 乌鸦少年

来源: https://daily.jstor.org/how-far-does-the-periodic-table-go/

发布日期: 2019-02-10

本文探讨了元素周期表的扩展及其背后的科学原理,特别是关于新元素的发现和合成过程,以及这些元素如何可能影响周期表的周期性。文章还讨论了相对论效应在超重元素性质中的潜在影响,并提出了关于周期表未来可能的极限的疑问。

2019年2月10日,随着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。元素周期表根据原子序数递增的顺序排成行,根据原子最外层电子的构型排成列。电子构型通常决定元素的性质、大小和形状。例如,占据第一列的是如锂和钾一类的软金属,它们会与其他物质发生剧烈的反应;而能与其他物质剧烈反应的非金属元素占据周期表的另一列。

1869年,门捷列夫写下的元素周期表,不仅预测了当时未知元素的存在,还预测了它们的性质。随着化学家不断合成新的元素,这一定律正被推到极限。当原子序数越来越高时,一些新元素的化学性质也已经不再与同一族中的其他元素类似。有人担心这可能会破坏深植于周期表背后的基本原理,毕竟元素周期表正是因为这种周期性而得名的。

对于一部分科学家而言,发现新元素不值得耗费那么多的精力和资金,尤其是这些原子本身就非常不稳定,只能存在极短的时间。但对于元素“猎人”而言,这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进行填充,有一些理论预测第八行的元素将出现一些奇特的性质。

创造新元素的过程充满了挑战。科学家们利用加速器对较轻元素的离子进行加速,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融合,从而形成一个新的、更重的原子核。然而,这样的事件很少发生,因为即使发生了碰撞,它也必须在适当的能量下发生。

在稳定之岛的海岸,发现者们正在接近一个诱人的目标:稳定岛。据理论预测,当原子核中包含一定数量的质子和中子时,原子核会变得更加稳定和长寿。理论家们相信,这是因为这些元素的质子和/或中子数为“幻数”。这些“幻数”对应于可以使原子核更加稳定的填满了的核壳层。

为填满元素周期表的第八行而作出的努力或许能带来对原子物理学的新洞察。元素的化学性质具有周期模式,因为这些性质在很大程度上是由原子核周围电子占据的空间决定的,尤其是原子核最外层的区域。这些区域在数学上被描述为“轨道”,大小和形状都是离散的,而且外层轨道的结构会以周期性或者说重复的方式变化。

元素周期表还能延伸多长仍然是一个悬而未决的问题。我们究竟能走多远?上世纪40年代,玻尔曾预言100号元素镄将是周期表的最后一种元素。但自那之后我们已经取得了长足的进步。费曼预测,137号元素将是最后一个元素。但没有人真正知道周期表会在哪里结束。周期表的尽头是根据相对论计算得出的。

新发现的元素的化学性质是否会遵循周期性,或者相对论效应是否会导致周期性定律出现裂缝?由于制造出来的新的超重原子的量非常小,化学家无法用传统的方法来研究它们。相反,他们设计实验来获得与元素性质有关的简单的“是或否”的答案。

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