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2019年是联合国“化学元素周期表国际年”（www.iypt2019.org），也是国际纯粹化学和应用化学联合会（IUPAC）成立100周年，《自然》和《科学》都推出了“元素周期表”特辑。根据特辑的介绍，该文作者（贺飞）特撰编了本文。 化学元素周期表是科学史上最重要的成就之一，它不仅体现了化学的本质，而且也体现了物理学和生物学的本质。 1869年，当德米特里·门捷列夫（Dmitri Mendeleev）发表他的第一份周期表草稿时，科学界只知道63种元素，现在有118个元素了。那么，它还会继续扩展吗？它到底有没有扩展的尽头？ 1.元素周期表的诞生 在门捷列夫之前的10多年，已有许多人开始着手对元素进行排列，包括四位西欧人和一位住在美国的丹麦化学家。1869年2月，俄罗斯首都圣彼得堡大学的普通化学教授德米特里·伊万诺维奇·门捷列夫（1834-1907）发表了他的分类，包括了当时所有已知元素。他借用三角函数的 “周期”性来表示化学元素属性的重复。门捷列夫的这个版本在目前被科学界公认为是现代元素周期表的鼻祖。
图：门捷列夫1869年2月的元素周期表 与门捷列夫的元素周期表相比，今天的元素周期表已大相径庭。从门捷列夫1869年提出的“基于原子量和化学亲和力的元素体系的尝试”到如今国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）批准的“元素周期表”，不仅仅是设计上的不同，而且从根本上转变了我们对物质的理解。现在的元素周期表，数字代表元素的原子序数，即每个原子核中质子的数量。这些带正电的粒子决定了轨道上电子的数量，这些电子的结构又在很大程度上决定了其化学性质。 国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）网站上的元素周期表 （见：https:///wp-content/uploads/2018/12/IUPAC_Periodic_Table-01Dec18.jpg） 19世纪，物质的原子结构学说获得了广泛的认同。在此基础上，化学原子论引入定量分析的方法，使无机化学走向系统化。1803年，道尔顿将希腊思辨的原子论改造成定量的化学原子论。1811年，意大利物理学家阿伏伽德罗提出了分子的概念。 1860年9月，在德国南部城镇卡尔斯鲁举行了由各国化学家参加的国际化学会议，这是化学史上的一次极其重要的会议，就原子量问题展开了热烈的讨论。意大利化学家斯坦尼斯劳·坎尼扎罗（Stanislao Cannizzaro）在会上散发了他1858年的论文，呼吁重视阿伏加德罗定律，自此原子-分子论最终得以确立，原子量的测定工作从此也走上了正规。随着大量元素的发现以及原子量的精确测定，人们开始讨论元素性质与原子量的变化关系，为元素周期表的诞生奠定了坚实的基础。 门捷列夫生于西伯利亚，是家中17个兄弟姐妹的最后一个。在母亲的支持下，他1850年进入圣彼得堡师范学院，以第一名的成绩完成了学业，随后他赴法国和德国深造。1860年，他在海德堡附近做博士后，碰巧参加了1860年的卡尔斯鲁国际化学大会，会上坎尼扎罗的论文给门捷列夫留下了深刻的印象。次年他回国在圣彼得堡工艺学院任教，1865年被聘为圣彼得堡大学化学教授。1869年，在圣彼得堡化学协会例会上，他由于生病请人代为宣读了他的论文“元素性质与原子量的关系”，提出了元素周期表，同时将论文副本寄给了欧洲各国的同行。1869年，德国化学家迈耶尔也于提出了他的元素周期表，只是元素数目少一些，但揭示的规律性基本上与门捷列夫相同。 门捷列夫的突出贡献在于他不仅列出了当时已知的63种元素，而且他还根据规律和预测留下了一些空位。图中被门捷列夫列为带有问号原子量的三种元素：45、68和70，门捷列夫把它们命名为EKA硼、EKA铝和EKA硅，并详细预测了它们的化学性质。很快，发现这三种元素分别是钪（1879年）、镓（1876年）和锗（1886年）。预测的成功巩固了门捷列夫在欧洲的声誉和他作为周期系统主要发现者的地位，一下子成为了国际知名化学家、俄罗斯的科学英雄。遗憾的是，1906年，门捷列夫以一票之差没能获得诺贝尔化学奖。 除了1869年发表在《化学期刊》的周期表外，门捷列夫在1868-1872年之间至少还发表了7张以上的周期表。19世纪中叶，惰性气体、放射性、同位素、亚原子粒子和量子力学在当时都是未知的。1940年，镧系元素（原子序数57的镧到71的镏）和锕系元素（原子序数89的锕到103的铹）相继被发现，今天的元素周期表大约是在1950年前后逐渐开始形成的。 2.元素的核合成（nucleosynthesis ） 经过一个多世纪的探测研究，天文学家已经证明了宇宙的组成随时间而变化。根据大爆炸理论，太阳系的元素都是在宇宙大爆炸中的核合成过程中产生的。大爆炸后15分钟，宇宙产生了第一批化学元素：氢、氦和少量的锂，但核合成并没有发展成更重的元素，因为膨胀的宇宙正在迅速冷却，停止了聚变。此外，自由中子正在衰变，它因为放射性而不稳定；任何不与质子结合的原子核都会衰变成质子、电子和反中子，半衰期仅超过10分钟。因此，只有氢和氦的混合物才能制造出第一颗恒星。
太阳系元素核合成起源（表中每种元素根据其核合成起源的相对贡献标不同颜色，根据太阳系形成的时间尺度） 第一颗恒星在大爆炸后约1亿年形成，它的形成不同于其他所有恒星。因为气体成分反映了大爆炸核合成，所以它不含碳和氧。在早期宇宙中，金属的缺乏及其相关的冷却意味着气体只能达到约100 K。大约140亿年后，银河系中2%的氢和氦已经转变成周期表上的大量元素。宇宙组成的这种转变是复杂化学和生物学的先决条件。这种生产新元素的过程称为核合成。 超新星以三种方式丰富了我们的宇宙。一是其排出了在恒星生命周期中形成的核合成产物；二是激波引起的极端温度和密度驱动了额外的核合成；三是喷射出的物质会产生额外的冲击，加速一些粒子接近光速，形成了宇宙射线。宇宙射线的能量足以分裂较重的原子核，通过裂变又产生了新的元素。这是生成宇宙中锂、铍和硼的大部分的原因。 从大爆炸开始到10万亿年后，宇宙的化学成分停止了变化。 3.寻找超重元素 对超重元素的研究起源于1940年代。第一批非自然元素中的一部分是在原子弹试验的放射性碎片中发现的，而另一些是在粒子加速器中发现的。从1950到1970年代，大部分研究是在伯克利或是在位于俄罗斯杜布纳的联合核子所(JINR)进行的。这是Oganessian领导的一个团体，其研究处于冷战竞争的气氛中。1980年代，德国加入了这场竞赛。达姆施塔特(Darmstadt)的一个研究所，即现的赫姆霍兹重离子研究中心（GSI），制造了107到112之间的所有元素。 扩展周期表的探索还没有结束，但它正在逐渐停止。自门捷列夫在150年前公布了他的元素周期表以来，研究人员一直在以每两三年一次的平均速率向其添加元素。在发现了所有足够稳定的自然存在的元素之后，研究人员开始创造他们自己的元素。现在，已经达到了元素118，oganesson(Og)。 假如你想创造出周期表中的第119号元素，也许有一个可能的方法：取几毫克锫（berkelium），锫（BK）是一种稀有的放射性金属，只能在专门的核反应堆中制造。用钛(titanium)离子束轰击样品，加速到光速的十分之一左右。这需要非常耐心地坚持一年左右，因为每10个千万亿（quintillion）(1018)的钛离子撞击到berkelium靶上大约相当于一年的射束时间。即便如此，这个实验也可能只产生119号元素的一个原子。 在这种罕见的情况下，一个钛和一个锫原子核会碰撞并融合，它们的撞击速度克服了它们的电排斥，创造出地球上甚至宇宙中从未见过的东西。但是新的原子将在十分之一毫秒内分裂。当它衰变时，它会发出α粒子和γ射线，这些射线会撞击靶周围的硅探测器，以迅速验证119元素是否存在。 研究人员已经尝试过这个实验。2012年，德国的化学家们花了几个月的时间研究它，但没有任何发现就放弃了。日本科学家已经尝试了光束和靶标的其它组合，他们和俄罗斯的一个团队也在寻找元素120，但没有运气。他们一致认为，在120号元素之后冒险的前景很渺茫。 在停滞了近十年之后，俄罗斯莫斯科郊外的杜布纳联合核子所的弗莱罗夫核反应实验室将于今年春天重启寻找新元素的工作。这是一个传奇的科学研究所，这里共有6个粒子加速器。在过去的半个世纪里，这些加速器在周期表上产生了9个新元素，包括已知的最重的5个元素，从而使元素周期表上的原子序数达到了118。 负责这项工作的科学家是85岁的物理学家尤里·奥加尼森。他自赫鲁晓夫1956年签署命令在莫斯科北的桦树林中建立一个秘密的核实验室以来一直在这里工作。118号元素被以他的名字命名为奥加尼森。实验室目前已建造了一个新的价值6000万美元的设施，名为“超重元素工厂”（SHEF），这个工厂将在今年春天开始搜寻119号、120号元素。 目前，自然界中最重的元素是铀，原子序数92。科学家在加速器中创造新元素，通常是通过将轻原子束轰碎重原子靶实现。但是由于带正电的原子核之间的排斥作用以及其它因素的增加，随着原子变重，聚变（和存活）的几率显著降低。因此，在超重元素领域（超过104）创造新的元素需要特殊技巧。 奥加尼森在1970年代提出冷聚变技术。位于德国GSI赫姆霍兹重离子研究中心的一个团队通过完善奥加尼森的冷聚变技术成功地制造出了107号到112号元素。2003年以来，日本Wako的RIKEN研究所的一个小组试图用冷聚变技术制造113元素，他们将锌（元素30）发射到铋（83）上，在第二年得到了一个原子，在2005年得到了另一个原子。为了向世人证实这一发现，于2006年和2007年又重新进行了实验，但没有任何发现。2008年和2009年再次尝试也没有结果。直到7年后的2012年，他们才发现另一个原子。RIKEN 9年来对113号元素的追求，是在亚洲创造的第一个元素。 制造超过113号元素的技术不同，采用的是热聚变技术，这是Flerov科学家在1990年代后期开发的。热聚变使用更高的光束能量，这需要依赖于一种特殊的同位素和大量过量的中子，钙-48。钙-48是从天然钙源中分离出来的，价格昂贵，每克25万美元。虽然RIKEN历经9年才找到了3个113号元素的原子，而杜布纳仅用了6个月就找到114号元素的许多原子。
图：位于Wako的Riken Nishina加速器科学中心发现了113号元素 产生接下来的几个超重元素主要是算术问题。钙是元素20，钙加上镅（元素95）产生元素115。钙加curium（96）生成元素116，依此类推。到2010年，杜布纳与加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室和田纳西州橡树岭国家实验室的科学家合作，填补了周期表的第七排，于是有了118号元素。随后停滞不前了。因为聚变需要几毫克靶元素，用今天的技术生产足够的einsteinium（99号元素）来制造119号元素是不可能的。人们把希望寄托在杜布纳联合核子所的SHEF装置上。SHEF由一个离子源和加速器组成，大约两层楼高。它的离子源每秒发射6万亿个原子，是其它元素加速器的10到20倍。日本RIKEN的一个小组也在寻找119号元素，他们的方法是把23号元素钒发射到curium靶上。这两个实验室的科学家们相信，5年内将找到119号和120号元素。 超重元素的预期寿命很短，它们甚至可以在飞行中衰变而不留下痕迹，因而很难检测。鉴于这些困难，一些科学家建议放弃加速器，而尝试新方法，如低能核爆炸等。但是，即使科学家能克服技术挑战，那么有多少元素可以存在？周期表能走多远呢？ 有理论预言元素周期表将在172号元素终结。根据量子力学原理，原子序数超过172以后，原子核将会吞噬电子并将其与质子融合，产生中子作为副产品。这个过程将一直持续下去，直到质子数降回到172，这样就为原子序数提供了一个上限。 其他研究也表明元素将在172号之前终结。因为当原子核变大时，质子间的排斥力成为压倒性。根据普遍共识，一个核必须存活至少10-14秒才能算作一个新元素。考虑到110号以上元素的脆弱性，较重的元素可能难以保持那么长的时间。 一般来说，表中同一列的元素都具有相似的化学和物理性质。但研究表明，110号以上元素所在的列与其化学行为之间的联系似乎被打破了。例如，114号元素在室温下的作用就像一种气体，即使它上面的元素铅是可以想象的最不含气体的物质。同样，尽管元素118落入惰性气体列，理论预测它很容易吸引电子，这是其它惰性气体所不具备的。这些异常现象可能是相对论效应引起的：超重核的高浓度电荷会扭曲周围电子轨道，从而影响它们的行为和形成键。 近年来，随着寻找新元素越来越困难，科学家们不再追逐新的元素，而是加深对超重元素的理解，即那些原子序数超过100的元素。研究这些元素的化学性质可以证明，最大量的元素是否遵循表中的组织原则。尽管最重的元素在不到一眨眼的时间内就衰变了，研究人员仍然希望它们能到达传说中的“稳定岛”：一个假设的元素（陆地）区域，在那里可能存在一些超重同位素——原子核中质子数相同但中子数不同的原子——能存活几分钟、几天甚至更长。 4.第一个人工合成元素 在门捷列夫的周期表里，43号元素是未知的，暂时命名为“EKA锰”。 研究人员一直在寻找这个元素，到了1930年代，“EKA锰” 的空白仍然存在。1937年，卡洛·佩里尔和埃米利奥·西格终于在人工合成材料中发现了这种元素。埃米利奥·西格从加州大学伯克利分校申请要来了一块钼板（molybdenum）， 这块钼板来自劳伦斯原子加速器。在卡洛·佩里尔的帮助下，西格对金属板进行了化学分析，用氢氧化钠和过氧化氢煮沸样品，提取到了未知元素——第一次得到了43号元素eka锰。原来eka锰不稳定，其放射性半衰期只有几百万年，在地球形成时自然存在的鍀都会在很久以前就衰变完了。 1938年11月，费米因发现铀之外的元素而获得诺贝尔奖。但在两个月之后，德国奥托·哈恩(Otto Hahn)和莉斯·梅特纳（Lise Meitner）领导的一个小组证明费米的发现是原子分裂的结果，可能是钡、氪和其它元素的碎片。这意味着西格和佩里尔的EKA锰是第一种真正的合成元素。后来在1947年，这个元素的命名借用希腊语中的“人造”，称之为“鍀”。这样一来，门捷列夫周期表上的所有空白地方就都被填满了。 实验室创造了元素，为寻找超铀元素开辟了道路。1939年，伯克利的埃德温·麦克米兰（Edwin McMillan）在回旋加速器中发现了一种不寻常的原子——元素93。1941年2月，Seaborg接替麦克米兰的工作，发现了元素94。在西格的帮助下，Seaborg很快证明了他的发明是钚，一种可以用于制造原子弹的新元素。 鍀的发现第一次证明了周期表上的元素并不仅仅限于地球上已有的元素。如今这张表格扩展到118号元素了（oganesson）。新元素的出现给人类带来了前所未有的应用。比如烟雾探测器、空间探测器的电源和人类最具破坏性的武器等。但最伟大的发现仍是鍀以及西格与西伯格发现的它的亚稳同位素，其半衰期只有6小时，是一种理想的放射性示踪剂，在最常用的医学放射性同位素中占80%份额。人们难以想象，这种效果最初竟然是从一块废金属板上得到的。 |
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