耗時(shí)146年填完一張表

杭蘇

銘記史冊(cè)的日子

自從門(mén)捷列夫1869年提出元素周期表以來(lái)，這張著名的表格就隨著新元素的發(fā)現(xiàn)而不斷擴(kuò)大，如今最后一個(gè)空格（倒數(shù)第二個(gè)）就要被填上了，這意味著周期表上的空格將首次被填滿(mǎn)。時(shí)隔146年，這位俄國(guó)化學(xué)家當(dāng)年的直覺(jué)終于將以一種顯赫的方式成為現(xiàn)實(shí)，這是值得銘記史冊(cè)的日子。146年前，他只留下了一張不全的周期表，為許多當(dāng)時(shí)未知的元素預(yù)留了位置，因?yàn)樵刂芷诒聿粌H僅是所有元素由輕到重的簡(jiǎn)單羅列，我們還能依據(jù)它預(yù)測(cè)各元素的物理與化學(xué)性質(zhì)。

這一切都源于一個(gè)簡(jiǎn)單卻天才的想法。19世紀(jì)中葉，門(mén)捷列夫在匯總當(dāng)時(shí)已發(fā)現(xiàn)的63種元素時(shí)，將它們按原子質(zhì)量的增序排列。于是他注意到這些元素的某些屬性在排列中呈現(xiàn)出周期性的特點(diǎn)：隨著原子序數(shù)的增大，各元素的顏色、外觀與化學(xué)反應(yīng)性等屬性都體現(xiàn)出周期性變化。

例如，原子質(zhì)量為19的氟，能與金屬發(fā)生劇烈的反應(yīng)，而原子質(zhì)量35的氯及原子質(zhì)量80的溴也呈現(xiàn)出類(lèi)似的特點(diǎn)；同樣，原子質(zhì)量40的鈣與原子質(zhì)量137的鋇都能在在高溫下保持固態(tài)等。門(mén)捷列夫從中歸納出了一個(gè)普遍原理，他將其稱(chēng)為“周期性原理”，并在此基礎(chǔ)上，將有著相似化學(xué)性質(zhì)的元素列在同一列，由此形成了元素周期表。

理論上的無(wú)窮多

到了1925年，量子力學(xué)的發(fā)展，揭示出元素周期性原理源自原子中分層排布的電子，周期表中同一族的元素，都有著相似的最外電子層。元素性質(zhì)的周期性是原子核外各層電子的排布狀況所決定的。具體而言，某一個(gè)元素的化學(xué)性質(zhì)取決于原子最外層的電子數(shù)，周期表上位于同一列的元素都有著相同的最外層電子數(shù)，故此也有著相似的化學(xué)性質(zhì)。

所有的計(jì)算結(jié)果都表明，擁有超過(guò)特定數(shù)目質(zhì)子的原子核是無(wú)法成形的，因?yàn)樗鼈兲环€(wěn)定，僅能存在極短的時(shí)間。然而，不同研究模型得出的臨界質(zhì)子數(shù)也不盡相同。根據(jù)某些模型，能夠存在的元素的最大序數(shù)是172或173；而據(jù)另一些模型，該數(shù)字僅有137。為了驗(yàn)證這些假說(shuō)，核物理學(xué)家已著手準(zhǔn)備一系列實(shí)驗(yàn)，旨在合成第119、120乃至原子質(zhì)量更大的元素。而且理論預(yù)測(cè)了一個(gè)“穩(wěn)定區(qū)”，該區(qū)域中的超重元素（序數(shù)大于92）有著相對(duì)較高的穩(wěn)定性，其存在的時(shí)間可能會(huì)持續(xù)數(shù)分鐘。要知道，許多新合成的超重元素存在時(shí)間僅有幾秒。

首次驗(yàn)證預(yù)測(cè)

按照這一規(guī)律便得到一張118格的元素周期表，排成7行18列。它就如同自然界的一本不斷增訂的大書(shū)，隨著新元素被找到，成員也不斷擴(kuò)展。1875年，法國(guó)化學(xué)家保羅發(fā)現(xiàn)了鎵，原子核中含有31個(gè)質(zhì)子，填補(bǔ)了周期表中的第一個(gè)空格，而這與門(mén)捷列夫的預(yù)測(cè)完全一致；1879年發(fā)現(xiàn)了鈧，鍺則于1886年被發(fā)現(xiàn)。此后，隨著能在自然界中存在的足夠穩(wěn)定的元素被全部發(fā)現(xiàn)，探索新元素的陣地也轉(zhuǎn)移到了核反應(yīng)堆與粒子加速器中。

1940年，科學(xué)家首度成功合成原子質(zhì)量大于92號(hào)元素鈾的新元素镎，它的原子核中含有93個(gè)質(zhì)子。接著94號(hào)元素钚、95號(hào)元素镅等一系列元素也相繼被發(fā)現(xiàn)……到2006年時(shí)，元索周期表上118個(gè)格子僅剩第117號(hào)還是空白。

現(xiàn)在被稱(chēng)作第117號(hào)元素的合成實(shí)屬不易。德國(guó)美因茨約翰-古滕堡大學(xué)的克里斯托夫·丟爾曼及其72名合作者首先制造了13毫克锫。锫這種元索極不穩(wěn)定，為了合成這種元素，科學(xué)家對(duì)一份镅的樣本進(jìn)行了18個(gè)月的輻射，并在美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室完成了復(fù)雜的提純。隨后，這份具有高度放射性的锫樣本被帶回美因茨，制成靶體后送至德國(guó)達(dá)姆斯塔特的赫爾姆霍茨重離子研究中心，在那里的加速器中接受鈣離子束的轟擊。

數(shù)月的離子轟炸后，科學(xué)家對(duì)樣本進(jìn)行檢驗(yàn)，在其中找到了117號(hào)元素原子核的痕跡。這微不足道的收獲是“實(shí)驗(yàn)技術(shù)突破極限所取得的非凡成就”。這也確證了2010年俄羅斯杜布納聯(lián)合原子核研究所的發(fā)現(xiàn)：他們當(dāng)時(shí)已經(jīng)合成了微量的117號(hào)元素。這意味著，是時(shí)候填補(bǔ)元素周期表最末行中的最后一個(gè)空缺了。

無(wú)法解釋的現(xiàn)象

隨著越來(lái)越重的元素被逐一發(fā)現(xiàn)，門(mén)捷列夫天才設(shè)想的準(zhǔn)確性也一次次地被證實(shí)。然而不無(wú)反諷的是，新發(fā)現(xiàn)的這些重元素與周期性原理的預(yù)測(cè)并不完全吻合，周期性原理的可靠性遭遇了挑戰(zhàn)：傳統(tǒng)的周期性原理竟然不適用于超重元素。在這些元素面前周期表似乎失去了意義。

如今憑借著強(qiáng)大的粒子加速器，人們合成出了越來(lái)越重的元素，在這個(gè)過(guò)程中，傳統(tǒng)的周期性原理卻漸漸失去了預(yù)測(cè)力。越來(lái)越多屬性和預(yù)測(cè)不符的反常元素被發(fā)現(xiàn)，按傳統(tǒng)的周期性原理看來(lái)，它們似乎出現(xiàn)在了錯(cuò)誤的格子中。此前，物理學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)數(shù)種反常的輕元素，例如，金呈黃色，周期表中位于它上方的銀卻是灰白色；汞在常溫下呈液態(tài)，所有其他金屬元素常溫下則都是固態(tài)；釙的晶體結(jié)構(gòu)是立方體，而表中位于其上方的碲則有著六邊形的晶體結(jié)構(gòu)……

所有這些例外有一個(gè)解釋?zhuān)蔷褪菒?ài)因斯坦的相對(duì)論。物理學(xué)家早已注意到，隨著原子序數(shù)的增加，核中質(zhì)子數(shù)上升，核電荷增強(qiáng)，這使得離核較近的電子獲得更高的運(yùn)動(dòng)速度。按照這個(gè)趨勢(shì)，當(dāng)元素核中的質(zhì)子數(shù)達(dá)到100左右時(shí)，電子的運(yùn)動(dòng)速度將變得極大，以致產(chǎn)生顯著的相對(duì)論效應(yīng)，質(zhì)量也隨之增大，以致影響到原子內(nèi)電子的排布以及它們的運(yùn)動(dòng)軌跡。1990年代，加州大學(xué)伯克利分校的研究人員發(fā)現(xiàn)104號(hào)元素在溶液狀態(tài)下竟能像钚一樣反應(yīng)，要知道，這兩個(gè)元素在周期表中相隔10個(gè)縱列！而105號(hào)元素甚至與相隔14列的91號(hào)元素有著相似的化學(xué)性質(zhì)。雖然106號(hào)元素的化學(xué)性質(zhì)與周期表的預(yù)測(cè)相吻合，但它的性質(zhì)與同列中的相鄰元素鉬和鎢卻有較大差異。與此類(lèi)似，112號(hào)元素的化學(xué)性質(zhì)并不像金屬，而是像相對(duì)論預(yù)言的那樣，更像相隔6列之遠(yuǎn)的惰性氣體。換而言之，對(duì)于超重元素，元素周期表失去了預(yù)測(cè)功能。

雖然如此，但是元素周期表根據(jù)核外電子排布狀況對(duì)元素化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分類(lèi)的方法，對(duì)我們?nèi)匀挥兄卮笠饬x。但隨著第117號(hào)元素被發(fā)現(xiàn)，門(mén)捷列夫?qū)⑺性卣系揭粡埍碇械暮陚?gòu)想也走到了盡頭，由此也終結(jié)了元素周期表期表的歷史使命。