2019年是聯(lián)合國“化學(xué)元素周期表國際年”（www.iypt2019.org），也是國際純粹化學(xué)和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）成立100周年，《自然》和《科學(xué)》都推出了“元素周期表”特輯。根據(jù)特輯的介紹，該文作者（賀飛）特撰編了本文。

化學(xué)元素周期表是科學(xué)史上最重要的成就之一，它不僅體現(xiàn)了化學(xué)的本質(zhì)，而且也體現(xiàn)了物理學(xué)和生物學(xué)的本質(zhì)。

1869年，當(dāng)?shù)旅滋乩铩らT捷列夫（Dmitri Mendeleev）發(fā)表他的第一份周期表草稿時，科學(xué)界只知道63種元素，現(xiàn)在有118個元素了。那么，它還會繼續(xù)擴(kuò)展嗎？它到底有沒有擴(kuò)展的盡頭？

1.元素周期表的誕生

在門捷列夫之前的10多年，已有許多人開始著手對元素進(jìn)行排列，包括四位西歐人和一位住在美國的丹麥化學(xué)家。1869年2月，俄羅斯首都圣彼得堡大學(xué)的普通化學(xué)教授德米特里·伊萬諾維奇·門捷列夫（1834-1907）發(fā)表了他的分類，包括了當(dāng)時所有已知元素。他借用三角函數(shù)的 “周期”性來表示化學(xué)元素屬性的重復(fù)。門捷列夫的這個版本在目前被科學(xué)界公認(rèn)為是現(xiàn)代元素周期表的鼻祖。    

      圖：門捷列夫1869年2月的元素周期表

與門捷列夫的元素周期表相比，今天的元素周期表已大相徑庭。從門捷列夫1869年提出的“基于原子量和化學(xué)親和力的元素體系的嘗試”到如今國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）批準(zhǔn)的“元素周期表”，不僅僅是設(shè)計上的不同，而且從根本上轉(zhuǎn)變了我們對物質(zhì)的理解?，F(xiàn)在的元素周期表，數(shù)字代表元素的原子序數(shù)，即每個原子核中質(zhì)子的數(shù)量。這些帶正電的粒子決定了軌道上電子的數(shù)量，這些電子的結(jié)構(gòu)又在很大程度上決定了其化學(xué)性質(zhì)。

                       國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）網(wǎng)站上的元素周期表

（見：https:///wp-content/uploads/2018/12/IUPAC_Periodic_Table-01Dec18.jpg）

19世紀(jì)，物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)學(xué)說獲得了廣泛的認(rèn)同。在此基礎(chǔ)上，化學(xué)原子論引入定量分析的方法，使無機(jī)化學(xué)走向系統(tǒng)化。1803年，道爾頓將希臘思辨的原子論改造成定量的化學(xué)原子論。1811年，意大利物理學(xué)家阿伏伽德羅提出了分子的概念。

1860年9月，在德國南部城鎮(zhèn)卡爾斯魯舉行了由各國化學(xué)家參加的國際化學(xué)會議，這是化學(xué)史上的一次極其重要的會議，就原子量問題展開了熱烈的討論。意大利化學(xué)家斯坦尼斯勞·坎尼扎羅（Stanislao Cannizzaro）在會上散發(fā)了他1858年的論文，呼吁重視阿伏加德羅定律，自此原子-分子論最終得以確立，原子量的測定工作從此也走上了正規(guī)。隨著大量元素的發(fā)現(xiàn)以及原子量的精確測定，人們開始討論元素性質(zhì)與原子量的變化關(guān)系，為元素周期表的誕生奠定了堅實的基礎(chǔ)。

門捷列夫生于西伯利亞，是家中17個兄弟姐妹的最后一個。在母親的支持下，他1850年進(jìn)入圣彼得堡師范學(xué)院，以第一名的成績完成了學(xué)業(yè)，隨后他赴法國和德國深造。1860年，他在海德堡附近做博士后，碰巧參加了1860年的卡爾斯魯國際化學(xué)大會，會上坎尼扎羅的論文給門捷列夫留下了深刻的印象。次年他回國在圣彼得堡工藝學(xué)院任教，1865年被聘為圣彼得堡大學(xué)化學(xué)教授。1869年，在圣彼得堡化學(xué)協(xié)會例會上，他由于生病請人代為宣讀了他的論文“元素性質(zhì)與原子量的關(guān)系”，提出了元素周期表，同時將論文副本寄給了歐洲各國的同行。1869年，德國化學(xué)家邁耶爾也于提出了他的元素周期表，只是元素數(shù)目少一些，但揭示的規(guī)律性基本上與門捷列夫相同。

門捷列夫的突出貢獻(xiàn)在于他不僅列出了當(dāng)時已知的63種元素，而且他還根據(jù)規(guī)律和預(yù)測留下了一些空位。圖中被門捷列夫列為帶有問號原子量的三種元素：45、68和70，門捷列夫把它們命名為EKA硼、EKA鋁和EKA硅，并詳細(xì)預(yù)測了它們的化學(xué)性質(zhì)。很快，發(fā)現(xiàn)這三種元素分別是鈧（1879年）、鎵（1876年）和鍺（1886年）。預(yù)測的成功鞏固了門捷列夫在歐洲的聲譽(yù)和他作為周期系統(tǒng)主要發(fā)現(xiàn)者的地位，一下子成為了國際知名化學(xué)家、俄羅斯的科學(xué)英雄。遺憾的是，1906年，門捷列夫以一票之差沒能獲得諾貝爾化學(xué)獎。

除了1869年發(fā)表在《化學(xué)期刊》的周期表外，門捷列夫在1868-1872年之間至少還發(fā)表了7張以上的周期表。19世紀(jì)中葉，惰性氣體、放射性、同位素、亞原子粒子和量子力學(xué)在當(dāng)時都是未知的。1940年，鑭系元素（原子序數(shù)57的鑭到71的鎦）和錒系元素（原子序數(shù)89的錒到103的鐒）相繼被發(fā)現(xiàn)，今天的元素周期表大約是在1950年前后逐漸開始形成的。

2.元素的核合成（nucleosynthesis ）

經(jīng)過一個多世紀(jì)的探測研究，天文學(xué)家已經(jīng)證明了宇宙的組成隨時間而變化。根據(jù)大爆炸理論，太陽系的元素都是在宇宙大爆炸中的核合成過程中產(chǎn)生的。大爆炸后15分鐘，宇宙產(chǎn)生了第一批化學(xué)元素：氫、氦和少量的鋰，但核合成并沒有發(fā)展成更重的元素，因為膨脹的宇宙正在迅速冷卻，停止了聚變。此外，自由中子正在衰變，它因為放射性而不穩(wěn)定；任何不與質(zhì)子結(jié)合的原子核都會衰變成質(zhì)子、電子和反中子，半衰期僅超過10分鐘。因此，只有氫和氦的混合物才能制造出第一顆恒星。

太陽系元素核合成起源（表中每種元素根據(jù)其核合成起源的相對貢獻(xiàn)標(biāo)不同顏色，根據(jù)太陽系形成的時間尺度）

第一顆恒星在大爆炸后約1億年形成，它的形成不同于其他所有恒星。因為氣體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，金屬的缺乏及其相關(guān)的冷卻意味著氣體只能達(dá)到約100 K。大約140億年后，銀河系中2%的氫和氦已經(jīng)轉(zhuǎn)變成周期表上的大量元素。宇宙組成的這種轉(zhuǎn)變是復(fù)雜化學(xué)和生物學(xué)的先決條件。這種生產(chǎn)新元素的過程稱為核合成。

超新星以三種方式豐富了我們的宇宙。一是其排出了在恒星生命周期中形成的核合成產(chǎn)物；二是激波引起的極端溫度和密度驅(qū)動了額外的核合成；三是噴射出的物質(zhì)會產(chǎn)生額外的沖擊，加速一些粒子接近光速，形成了宇宙射線。宇宙射線的能量足以分裂較重的原子核，通過裂變又產(chǎn)生了新的元素。這是生成宇宙中鋰、鈹和硼的大部分的原因。

從大爆炸開始到10萬億年后，宇宙的化學(xué)成分停止了變化。

3.尋找超重元素

對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彈試驗的放射性碎片中發(fā)現(xiàn)的，而另一些是在粒子加速器中發(fā)現(xiàn)的。從1950到1970年代，大部分研究是在伯克利或是在位于俄羅斯杜布納的聯(lián)合核子所(JINR)進(jìn)行的。這是Oganessian領(lǐng)導(dǎo)的一個團(tuán)體，其研究處于冷戰(zhàn)競爭的氣氛中。1980年代，德國加入了這場競賽。達(dá)姆施塔特(Darmstadt)的一個研究所，即現(xiàn)的赫姆霍茲重離子研究中心（GSI），制造了107到112之間的所有元素。

擴(kuò)展周期表的探索還沒有結(jié)束，但它正在逐漸停止。自門捷列夫在150年前公布了他的元素周期表以來，研究人員一直在以每兩三年一次的平均速率向其添加元素。在發(fā)現(xiàn)了所有足夠穩(wěn)定的自然存在的元素之后，研究人員開始創(chuàng)造他們自己的元素。現(xiàn)在，已經(jīng)達(dá)到了元素118，oganesson(Og)。

假如你想創(chuàng)造出周期表中的第119號元素，也許有一個可能的方法：取幾毫克锫（berkelium），锫（BK）是一種稀有的放射性金屬，只能在專門的核反應(yīng)堆中制造。用鈦(titanium)離子束轟擊樣品，加速到光速的十分之一左右。這需要非常耐心地堅持一年左右，因為每10個千萬億（quintillion）(10¹⁸)的鈦離子撞擊到berkelium靶上大約相當(dāng)于一年的射束時間。即便如此，這個實驗也可能只產(chǎn)生119號元素的一個原子。

在這種罕見的情況下，一個鈦和一個锫原子核會碰撞并融合，它們的撞擊速度克服了它們的電排斥，創(chuàng)造出地球上甚至宇宙中從未見過的東西。但是新的原子將在十分之一毫秒內(nèi)分裂。當(dāng)它衰變時，它會發(fā)出α粒子和γ射線，這些射線會撞擊靶周圍的硅探測器，以迅速驗證119元素是否存在。

研究人員已經(jīng)嘗試過這個實驗。2012年，德國的化學(xué)家們花了幾個月的時間研究它，但沒有任何發(fā)現(xiàn)就放棄了。日本科學(xué)家已經(jīng)嘗試了光束和靶標(biāo)的其它組合，他們和俄羅斯的一個團(tuán)隊也在尋找元素120，但沒有運(yùn)氣。他們一致認(rèn)為，在120號元素之后冒險的前景很渺茫。

在停滯了近十年之后，俄羅斯莫斯科郊外的杜布納聯(lián)合核子所的弗萊羅夫核反應(yīng)實驗室將于今年春天重啟尋找新元素的工作。這是一個傳奇的科學(xué)研究所，這里共有6個粒子加速器。在過去的半個世紀(jì)里，這些加速器在周期表上產(chǎn)生了9個新元素，包括已知的最重的5個元素，從而使元素周期表上的原子序數(shù)達(dá)到了118。

負(fù)責(zé)這項工作的科學(xué)家是85歲的物理學(xué)家尤里·奧加尼森。他自赫魯曉夫1956年簽署命令在莫斯科北的樺樹林中建立一個秘密的核實驗室以來一直在這里工作。118號元素被以他的名字命名為奧加尼森。實驗室目前已建造了一個新的價值6000萬美元的設(shè)施，名為“超重元素工廠”（SHEF），這個工廠將在今年春天開始搜尋119號、120號元素。

目前，自然界中最重的元素是鈾，原子序數(shù)92?？茖W(xué)家在加速器中創(chuàng)造新元素，通常是通過將輕原子束轟碎重原子靶實現(xiàn)。但是由于帶正電的原子核之間的排斥作用以及其它因素的增加，隨著原子變重，聚變（和存活）的幾率顯著降低。因此，在超重元素領(lǐng)域（超過104）創(chuàng)造新的元素需要特殊技巧。

奧加尼森在1970年代提出冷聚變技術(shù)。位于德國GSI赫姆霍茲重離子研究中心的一個團(tuán)隊通過完善奧加尼森的冷聚變技術(shù)成功地制造出了107號到112號元素。2003年以來，日本W(wǎng)ako的RIKEN研究所的一個小組試圖用冷聚變技術(shù)制造113元素，他們將鋅（元素30）發(fā)射到鉍（83）上，在第二年得到了一個原子，在2005年得到了另一個原子。為了向世人證實這一發(fā)現(xiàn)，于2006年和2007年又重新進(jìn)行了實驗，但沒有任何發(fā)現(xiàn)。2008年和2009年再次嘗試也沒有結(jié)果。直到7年后的2012年，他們才發(fā)現(xiàn)另一個原子。RIKEN 9年來對113號元素的追求，是在亞洲創(chuàng)造的第一個元素。

制造超過113號元素的技術(shù)不同，采用的是熱聚變技術(shù)，這是Flerov科學(xué)家在1990年代后期開發(fā)的。熱聚變使用更高的光束能量，這需要依賴于一種特殊的同位素和大量過量的中子，鈣-48。鈣-48是從天然鈣源中分離出來的，價格昂貴，每克25萬美元。雖然RIKEN歷經(jīng)9年才找到了3個113號元素的原子，而杜布納僅用了6個月就找到114號元素的許多原子。

      圖：位于Wako的Riken Nishina加速器科學(xué)中心發(fā)現(xiàn)了113號元素

產(chǎn)生接下來的幾個超重元素主要是算術(shù)問題。鈣是元素20，鈣加上镅（元素95）產(chǎn)生元素115。鈣加curium（96）生成元素116，依此類推。到2010年，杜布納與加利福尼亞州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室和田納西州橡樹嶺國家實驗室的科學(xué)家合作，填補(bǔ)了周期表的第七排，于是有了118號元素。隨后停滯不前了。因為聚變需要幾毫克靶元素，用今天的技術(shù)生產(chǎn)足夠的einsteinium（99號元素）來制造119號元素是不可能的。人們把希望寄托在杜布納聯(lián)合核子所的SHEF裝置上。SHEF由一個離子源和加速器組成，大約兩層樓高。它的離子源每秒發(fā)射6萬億個原子，是其它元素加速器的10到20倍。日本RIKEN的一個小組也在尋找119號元素，他們的方法是把23號元素釩發(fā)射到curium靶上。這兩個實驗室的科學(xué)家們相信，5年內(nèi)將找到119號和120號元素。

超重元素的預(yù)期壽命很短，它們甚至可以在飛行中衰變而不留下痕跡，因而很難檢測。鑒于這些困難，一些科學(xué)家建議放棄加速器，而嘗試新方法，如低能核爆炸等。但是，即使科學(xué)家能克服技術(shù)挑戰(zhàn)，那么有多少元素可以存在？周期表能走多遠(yuǎn)呢？

有理論預(yù)言元素周期表將在172號元素終結(jié)。根據(jù)量子力學(xué)原理，原子序數(shù)超過172以后，原子核將會吞噬電子并將其與質(zhì)子融合，產(chǎn)生中子作為副產(chǎn)品。這個過程將一直持續(xù)下去，直到質(zhì)子數(shù)降回到172，這樣就為原子序數(shù)提供了一個上限。

其他研究也表明元素將在172號之前終結(jié)。因為當(dāng)原子核變大時，質(zhì)子間的排斥力成為壓倒性。根據(jù)普遍共識，一個核必須存活至少10^-14秒才能算作一個新元素?？紤]到110號以上元素的脆弱性，較重的元素可能難以保持那么長的時間。

一般來說，表中同一列的元素都具有相似的化學(xué)和物理性質(zhì)。但研究表明，110號以上元素所在的列與其化學(xué)行為之間的聯(lián)系似乎被打破了。例如，114號元素在室溫下的作用就像一種氣體，即使它上面的元素鉛是可以想象的最不含氣體的物質(zhì)。同樣，盡管元素118落入惰性氣體列，理論預(yù)測它很容易吸引電子，這是其它惰性氣體所不具備的。這些異常現(xiàn)象可能是相對論效應(yīng)引起的：超重核的高濃度電荷會扭曲周圍電子軌道，從而影響它們的行為和形成鍵。

近年來，隨著尋找新元素越來越困難，科學(xué)家們不再追逐新的元素，而是加深對超重元素的理解，即那些原子序數(shù)超過100的元素。研究這些元素的化學(xué)性質(zhì)可以證明，最大量的元素是否遵循表中的組織原則。盡管最重的元素在不到一眨眼的時間內(nèi)就衰變了，研究人員仍然希望它們能到達(dá)傳說中的“穩(wěn)定島”：一個假設(shè)的元素（陸地）區(qū)域，在那里可能存在一些超重同位素——原子核中質(zhì)子數(shù)相同但中子數(shù)不同的原子——能存活幾分鐘、幾天甚至更長。

4.第一個人工合成元素

在門捷列夫的周期表里，43號元素是未知的，暫時命名為“EKA錳”。 研究人員一直在尋找這個元素，到了1930年代，“EKA錳” 的空白仍然存在。1937年，卡洛·佩里爾和埃米利奧·西格終于在人工合成材料中發(fā)現(xiàn)了這種元素。埃米利奧·西格從加州大學(xué)伯克利分校申請要來了一塊鉬板（molybdenum）， 這塊鉬板來自勞倫斯原子加速器。在卡洛·佩里爾的幫助下，西格對金屬板進(jìn)行了化學(xué)分析，用氫氧化鈉和過氧化氫煮沸樣品，提取到了未知元素——第一次得到了43號元素eka錳。原來eka錳不穩(wěn)定，其放射性半衰期只有幾百萬年，在地球形成時自然存在的鍀都會在很久以前就衰變完了。

1938年11月，費米因發(fā)現(xiàn)鈾之外的元素而獲得諾貝爾獎。但在兩個月之后，德國奧托·哈恩(Otto Hahn)和莉斯·梅特納（Lise Meitner）領(lǐng)導(dǎo)的一個小組證明費米的發(fā)現(xiàn)是原子分裂的結(jié)果，可能是鋇、氪和其它元素的碎片。這意味著西格和佩里爾的EKA錳是第一種真正的合成元素。后來在1947年，這個元素的命名借用希臘語中的“人造”，稱之為“鍀”。這樣一來，門捷列夫周期表上的所有空白地方就都被填滿了。

實驗室創(chuàng)造了元素，為尋找超鈾元素開辟了道路。1939年，伯克利的埃德溫·麥克米蘭（Edwin McMillan）在回旋加速器中發(fā)現(xiàn)了一種不尋常的原子——元素93。1941年2月，Seaborg接替麥克米蘭的工作，發(fā)現(xiàn)了元素94。在西格的幫助下，Seaborg很快證明了他的發(fā)明是钚，一種可以用于制造原子彈的新元素。

鍀的發(fā)現(xiàn)第一次證明了周期表上的元素并不僅僅限于地球上已有的元素。如今這張表格擴(kuò)展到118號元素了（oganesson）。新元素的出現(xiàn)給人類帶來了前所未有的應(yīng)用。比如煙霧探測器、空間探測器的電源和人類最具破壞性的武器等。但最偉大的發(fā)現(xiàn)仍是鍀以及西格與西伯格發(fā)現(xiàn)的它的亞穩(wěn)同位素，其半衰期只有6小時，是一種理想的放射性示蹤劑，在最常用的醫(yī)學(xué)放射性同位素中占80%份額。人們難以想象，這種效果最初竟然是從一塊廢金屬板上得到的。