元素周期表

摘要：在113、115、117和118號(hào)元素的名稱和符號(hào)確定之后，現(xiàn)有的元素周期表形成了一個(gè)完整的表格。新元素的獲得將開啟第8周期。第8周期元素的物理和化學(xué)性質(zhì)將會(huì)怎樣變化？新元素是否依然遵從現(xiàn)有的周期律？元素周期表有無(wú)盡頭？新元素合成的意義何在？文章在回顧周期表形成和發(fā)展的基礎(chǔ)上，給出簡(jiǎn)要的討論。

關(guān)鍵詞：元素周期表，超重元素，原子核

中圖分類號(hào)：N04；O611文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8578.2017.02.011

Periodic Table： with 118 Elements and beyond the 118th//WANG Yingxia

Abstract： With the approval of the name and symbols of element 113， 115，117 and 118， the current Periodic Table has emerged as a perfect form. The realization of new element（s） will open a new 8th raw in the Table. How about the physical and chemical properties of the new elements？ Will the changes of the new elements obey the conventional periodic law？ Whether there is an end of the Table？ And what is the significance for the exploration of the new elements？ Let us take an outlook on the formation and development of the Periodic Table and put forward the opinions on the extension of the Table.

Keywords： Periodic Table， super heavy element， atomic nucleus

收稿日期：2017-03-22

作者簡(jiǎn)介：王穎霞（1965—），女，博士，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闊o(wú)機(jī)固體化學(xué)。通信方式：yxwang@pku.edu.cn。

2016年11月30日，國(guó)際純粹和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）核準(zhǔn)并發(fā)布了4個(gè)人工合成元素113、115、117和118的英文名稱和元素符號(hào)：nihonium （Nh）、moscovium （Mc）、tennessine（Ts）和oganesson（Og）[1-3]。這4種元素的確認(rèn)，標(biāo)志著元素周期表中第7周期被全部填滿。至此，1～118號(hào)元素形成了一張完整規(guī)范的元素周期表。這4個(gè)元素的中文命名工作隨即啟動(dòng)，經(jīng)過數(shù)月的公眾提議、兩岸協(xié)商、專家研討和學(xué)界征詢，新元素的中文名稱依次定為钅爾（nǐ）、鏌（mò）、石田（tián）、（ào）。新元素中文名稱的確定，不僅對(duì)國(guó)內(nèi)化學(xué)界、物理學(xué)界十分重要，也是關(guān)系到自然科學(xué)和全球華語(yǔ)世界溝通的大事。

元素周期表不僅是化學(xué)學(xué)科知識(shí)薈萃的園地，也是自然科學(xué)發(fā)展成就的集中體現(xiàn)。在第7周期填滿之際，瀏覽元素周期表，回顧其形成和發(fā)展的歷史，促使我們進(jìn)一步思考：如何獲得新元素？元素周期表有無(wú)盡頭？與g軌道的引入相關(guān)，第8周期元素性質(zhì)將會(huì)怎樣變化？新元素是否依然遵從現(xiàn)有的周期律？新元素合成的意義何在？

近代元素概念的形成始于18世紀(jì)后期[4-8]?；谌紵F(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)研究和理論思考，1789年拉瓦錫（A.L. de Lavoisier）出版了《化學(xué)概要》一書，書中列出了包含33個(gè)元素的第一張?jiān)貐R總表，并明確指出“元素是用任何方法都不能再分解的簡(jiǎn)單物質(zhì)”。盡管其中所列元素部分有誤且關(guān)于元素的認(rèn)識(shí)也有模糊之處，但拉瓦錫的學(xué)說徹底推翻了統(tǒng)治多年的燃素說，為化學(xué)學(xué)科開創(chuàng)了新的紀(jì)元。至今長(zhǎng)達(dá)兩個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，周期表中的元素以平均每?jī)赡臧?個(gè)的速度遞增。19世紀(jì)，隨著更多元素的發(fā)現(xiàn)及元素知識(shí)的積累，多位科學(xué)家如格梅林（Leopold Gmelin）、邁耶（Julius Lothar Meyer）、紐蘭茲（John Newlands）等開始探討元素的變化規(guī)律。眾所周知，里程碑的工作是門捷列夫（Dmitri Ivanovich Mendeleev）于1869年給出的元素周期表——該周期表將當(dāng)時(shí)已知的63種元素“按照原子量的大小排列起來(lái)”，發(fā)現(xiàn)它們“在性質(zhì)上呈現(xiàn)出明顯的周期性”。門捷列夫還預(yù)測(cè)了當(dāng)時(shí)尚未發(fā)現(xiàn)的元素鈧（Sc，類硼）、鎵（Ga，類鋁）和鍺（Ge，類硅）的存在，因而促成了這些元素的發(fā)現(xiàn)。

早期元素周期表的形成和元素周期律的提出主要以實(shí)驗(yàn)事實(shí)為依據(jù)。20世紀(jì)，現(xiàn)代原子結(jié)構(gòu)模型和量子力學(xué)的建立為元素周期律奠定了理論基礎(chǔ)：原子核外電子構(gòu)型的周期性排布是元素性質(zhì)周期性變化的依據(jù)。2016年11月28日，IUPAC公布了最新的元素周期表，1～118號(hào)元素排出7個(gè)周期，形成18列（即18族）。根據(jù)核外價(jià)層電子構(gòu)型的特點(diǎn)，現(xiàn)有周期表中的元素分為s區(qū)、p區(qū)、d區(qū)和f區(qū)。在這些元素中，可以穩(wěn)定存在的最重的元素是208Pb。1937年，第一個(gè)人造新元素——锝（Tc，原子序數(shù)Z=43號(hào)）在回旋加速器中由氘核轟擊Mo原子產(chǎn)生，開啟了人工合成元素的時(shí)代[9]。锝、钷（Pm，Z=61）以及原子序數(shù)Z>83的所有元素均為放射性元素。從95號(hào)元素镅（Am）開始，均為人造元素[7]。因此，可以說，元素周期表的擴(kuò)展，有賴于新元素的人工合成。

如何合成新元素？鐨（Fm， Z=100）之前的元素，主要通過α粒子、H+、中子等輕核轟擊較重的原子核獲得；而Z>100的元素，則需要通過一個(gè)高速運(yùn)動(dòng)的較輕原子核（如C—Zn）轟擊另一個(gè)較重的原子核使二者之間發(fā)生聚變而形成（常伴有中子的放出），例如，115號(hào)元素就是由48Ca撞擊243Am而得到的[2]。確認(rèn)新元素的生成，首先要求最長(zhǎng)核素的壽命大于10-14s——這是完成原子核外電子排布所需的時(shí)間。超重核很不穩(wěn)定，很快會(huì)發(fā)生衰變，因此需要給出相應(yīng)核衰變反應(yīng)序列的數(shù)據(jù)[2-3]。

影響原子核穩(wěn)定性的主要因素是什么？隨著原子核的增大，質(zhì)子數(shù)目增多而導(dǎo)致靜電斥力急劇增大，微觀粒子之間距離增大也使得粒子間的強(qiáng)相互作用減弱，中子難以發(fā)揮協(xié)調(diào)和抑制作用，無(wú)法有效結(jié)合而促使原子核的形成。

可以實(shí)現(xiàn)的原子序數(shù)最大可能為多少？這是核物理與核化學(xué)的基本問題?？茖W(xué)家提出各種理論模型解釋原子核的構(gòu)造，以揭示原子核結(jié)構(gòu)的奧秘，推進(jìn)超重元素（super heavy elements）的發(fā)展。目前文獻(xiàn)中討論到的最大極限是原子序數(shù)Z=1138和質(zhì)量數(shù)Z=3500，此時(shí)原子核結(jié)合能等于0[5]。“液滴模型”（liquid drop model）曾預(yù)測(cè)，隨Z2/A的增大，核裂變的可能性加劇，至Z≈110，原子核即時(shí)自發(fā)裂變，難以得到大于此序數(shù)的元素。但是，111—118號(hào)元素的合成，打破了這一限制?！昂伺荨保╪uclear bubble）模型則給出，可以擴(kuò)展到Z=240。“核殼層模型”（nuclear shell model）是一個(gè)最有代表性的模型[4，10]，這一模型認(rèn)為質(zhì)子和中子在原子核中的分布與電子在原子核外占據(jù)不同能級(jí)軌道的排布類似，也具有不同的能級(jí)層。當(dāng)核中的質(zhì)子和中子的排布為閉殼層結(jié)構(gòu)時(shí)，原子核可以獲得額外的穩(wěn)定性。存在一系列的幻數(shù)（magic numbers）：2， 8， 20， 28， 50， 82， 114，126，184等，當(dāng)質(zhì)子數(shù)或者中子數(shù)取這些幻數(shù)或二者均為幻數(shù)（雙幻數(shù)）時(shí)，原子核具有特殊的穩(wěn)定性。對(duì)自然界存在元素的分析發(fā)現(xiàn)，16O、20Ca、208Pb等核素的確具有較高的豐度。因此，20世紀(jì)60年代西博格（Glenn Theodore Seaborg）提出了“穩(wěn)定島”的假設(shè)[10]，認(rèn)為質(zhì)子數(shù)Z=114、中子數(shù)N=184的元素可能穩(wěn)定存在，114號(hào)元素的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了西博格的猜想。西博格預(yù)測(cè)，Z=164也許是可以實(shí)現(xiàn)的最后一個(gè)元素。

在考慮原子核的穩(wěn)定性之外，要真正獲得相應(yīng)的元素，也需要考慮電子在核外排布和運(yùn)動(dòng)?；陔娮优挪己蛙壍滥芰糠治觯J(rèn)為Z=137是新元素的盡頭，后經(jīng)修正認(rèn)為Z=172是可能的臨界值[4]。

暫且不拘泥于如上數(shù)據(jù)，我們直接討論第8周期元素在周期表中可能的分布情況。簡(jiǎn)捷的處理方式是，按照傳統(tǒng)的核外電子填充規(guī)則 （1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p→5s→4d→5p→6s→4f→5d→6p→7s→5f→6d→7p→8s→5g→6f→7d→8p…）：119和120號(hào)元素分別具有8s1和8s2的價(jià)層電子構(gòu)型，隨后，電子開始填入5g軌道，Z=121～138共18個(gè)元素組成“超錒系元素”（superacinides）（按照西博格最初的定義，“超錒系”有32個(gè)元素，包括18個(gè)5g元素和14個(gè)6f元素）[10]，之后是14個(gè)“6f元素（Z=139～152）”，10個(gè)“7d元素（153～162）”和6個(gè)“p區(qū)元素（Z=163～168）”，這50個(gè)元素完成第8周期。依此排布方法，可知164號(hào)元素處在p區(qū)，位于114號(hào)元素钅夫（Fl）之下。

然而，微觀粒子的運(yùn)動(dòng)并非如此簡(jiǎn)單。如上所述，不僅要考慮原子核，也要考慮與原子核相互作用的核外電子的運(yùn)動(dòng)。隨著原子核電荷數(shù)的增加，核外電子運(yùn)動(dòng)的相對(duì)論效應(yīng)加劇。相對(duì)論效應(yīng)不僅導(dǎo)致s和p軌道收縮、d和f軌道擴(kuò)展，使得原子軌道能量發(fā)生變化，也導(dǎo)致自旋-軌道耦合作用增強(qiáng)，使得簡(jiǎn)并的p、d、f等軌道分裂，例如p軌道分裂為p1/2和雙重兼并的p3/2，因此核外電子排布不再完全遵從傳統(tǒng)的填充規(guī)則[4-7，10-12]。1977年有研究指出[11]，對(duì)于第8周期的前幾個(gè)元素，核外電子可能的排布方式是：Z=121[Og]8s28p1/2，Z=122[Og]8s28p1/27d3/2，Z=123[Og]8s28p1/27d3/26f5/2，Z=124[Og]8s28p1/26f35/2，Z=125[Og]8s28p1/26f35/25g1/2。2011年有研究指出[12]，Z=121～172號(hào)元素核外電子的填充次序?yàn)?s<5g≤6f<7d<9s<9p1/2<8p3/2，如此，Z=164的元素應(yīng)當(dāng)在d區(qū)?？梢钥闯觯捎趨?shù)選擇和處理方法的不同，理論計(jì)算之間存在差異。

因此，依然需要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給以證實(shí)。新的超重元素的合成和研究具有更大的挑戰(zhàn)性。獲得超重元素的最有效的方法仍是核聚變。例如利用48Ca轟擊254Es制備119號(hào)元素，28Fe轟擊244Pu制備120號(hào)元素等?？梢灶A(yù)見的是，超重元素的獲得越來(lái)越難。那么，這樣的工作意義何在？一方面，通過超重元素的合成，人類得以不斷深入認(rèn)識(shí)物質(zhì)的微觀世界，拓展科學(xué)知識(shí)；另一方面，在這樣的探索過程中，也促進(jìn)技術(shù)手段的發(fā)展和應(yīng)用。無(wú)論是原子的獲得，還是性質(zhì)的研究，均為“一次一個(gè)原子”（one atom at a time）的模式。為引發(fā)核反應(yīng)而改進(jìn)加速器，為觀察新元素形成過程中粒子和能量的變化，捕捉稍縱即逝的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，需要改進(jìn)探測(cè)方法并提高探測(cè)效率等，這些改進(jìn)的技術(shù)和方法在其他方面也可以有更廣泛的應(yīng)用?？傊?，合成新元素的意義并不僅僅是發(fā)現(xiàn)新元素本身，也在于深化我們對(duì)自然的探索和領(lǐng)悟，并推動(dòng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和完善。

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