耗时146年填完一张表

杭苏

铭记史册的日子

自从门捷列夫1869年提出元素周期表以来，这张著名的表格就随着新元素的发现而不断扩大，如今最后一个空格（倒数第二个）就要被填上了，这意味着周期表上的空格将首次被填满。时隔146年，这位俄国化学家当年的直觉终于将以一种显赫的方式成为现实，这是值得铭记史册的日子。146年前，他只留下了一张不全的周期表，为许多当时未知的元素预留了位置，因为元素周期表不仅仅是所有元素由轻到重的简单罗列，我们还能依据它预测各元素的物理与化学性质。

这一切都源于一个简单却天才的想法。19世纪中叶，门捷列夫在汇总当时已发现的63种元素时，将它们按原子质量的增序排列。于是他注意到这些元素的某些属性在排列中呈现出周期性的特点：随着原子序数的增大，各元素的颜色、外观与化学反应性等属性都体现出周期性变化。

例如，原子质量为19的氟，能与金属发生剧烈的反应，而原子质量35的氯及原子质量80的溴也呈现出类似的特点；同样，原子质量40的钙与原子质量137的钡都能在在高温下保持固态等。门捷列夫从中归纳出了一个普遍原理，他将其称为“周期性原理”，并在此基础上，将有着相似化学性质的元素列在同一列，由此形成了元素周期表。

理论上的无穷多

到了1925年，量子力学的发展，揭示出元素周期性原理源自原子中分层排布的电子，周期表中同一族的元素，都有着相似的最外电子层。元素性质的周期性是原子核外各层电子的排布状况所决定的。具体而言，某一个元素的化学性质取决于原子最外层的电子数，周期表上位于同一列的元素都有着相同的最外层电子数，故此也有着相似的化学性质。

所有的计算结果都表明，拥有超过特定数目质子的原子核是无法成形的，因为它们太不稳定，仅能存在极短的时间。然而，不同研究模型得出的临界质子数也不尽相同。根据某些模型，能够存在的元素的最大序数是172或173；而据另一些模型，该数字仅有137。为了验证这些假说，核物理学家已着手准备一系列实验，旨在合成第119、120乃至原子质量更大的元素。而且理论预测了一个“稳定区”，该区域中的超重元素（序数大于92）有着相对较高的稳定性，其存在的时间可能会持续数分钟。要知道，许多新合成的超重元素存在时间仅有几秒。

首次验证预测

按照这一规律便得到一张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断增订的大书，随着新元素被找到，成员也不断扩展。1875年，法国化学家保罗发现了镓，原子核中含有31个质子，填补了周期表中的第一个空格，而这与门捷列夫的预测完全一致；1879年发现了钪，锗则于1886年被发现。此后，随着能在自然界中存在的足够稳定的元素被全部发现，探索新元素的阵地也转移到了核反应堆与粒子加速器中。

1940年，科学家首度成功合成原子质量大于92号元素铀的新元素镎，它的原子核中含有93个质子。接着94号元素钚、95号元素镅等一系列元素也相继被发现……到2006年时，元索周期表上118个格子仅剩第117号还是空白。

现在被称作第117号元素的合成实属不易。德国美因茨约翰-古滕堡大学的克里斯托夫·丢尔曼及其72名合作者首先制造了13毫克锫。锫这种元索极不稳定，为了合成这种元素，科学家对一份镅的样本进行了18个月的辐射，并在美国橡树岭国家实验室完成了复杂的提纯。随后，这份具有高度放射性的锫样本被带回美因茨，制成靶体后送至德国达姆斯塔特的赫尔姆霍茨重离子研究中心，在那里的加速器中接受钙离子束的轰击。

数月的离子轰炸后，科学家对样本进行检验，在其中找到了117号元素原子核的痕迹。这微不足道的收获是“实验技术突破极限所取得的非凡成就”。这也确证了2010年俄罗斯杜布纳联合原子核研究所的发现：他们当时已经合成了微量的117号元素。这意味着，是时候填补元素周期表最末行中的最后一个空缺了。

无法解释的现象

随着越来越重的元素被逐一发现，门捷列夫天才设想的准确性也一次次地被证实。然而不无反讽的是，新发现的这些重元素与周期性原理的预测并不完全吻合，周期性原理的可靠性遭遇了挑战：传统的周期性原理竟然不适用于超重元素。在这些元素面前周期表似乎失去了意义。

如今凭借着强大的粒子加速器，人们合成出了越来越重的元素，在这个过程中，传统的周期性原理却渐渐失去了预测力。越来越多属性和预测不符的反常元素被发现，按传统的周期性原理看来，它们似乎出现在了错误的格子中。此前，物理学家已经发现数种反常的轻元素，例如，金呈黄色，周期表中位于它上方的银却是灰白色；汞在常温下呈液态，所有其他金属元素常温下则都是固态；钋的晶体结构是立方体，而表中位于其上方的碲则有着六边形的晶体结构……

所有这些例外有一个解释，那就是爱因斯坦的相对论。物理学家早已注意到，随着原子序数的增加，核中质子数上升，核电荷增强，这使得离核较近的电子获得更高的运动速度。按照这个趋势，当元素核中的质子数达到100左右时，电子的运动速度将变得极大，以致产生显著的相对论效应，质量也随之增大，以致影响到原子内电子的排布以及它们的运动轨迹。1990年代，加州大学伯克利分校的研究人员发现104号元素在溶液状态下竟能像钚一样反应，要知道，这两个元素在周期表中相隔10个纵列！而105号元素甚至与相隔14列的91号元素有着相似的化学性质。虽然106号元素的化学性质与周期表的预测相吻合，但它的性质与同列中的相邻元素钼和钨却有较大差异。与此类似，112号元素的化学性质并不像金属，而是像相对论预言的那样，更像相隔6列之远的惰性气体。换而言之，对于超重元素，元素周期表失去了预测功能。

虽然如此，但是元素周期表根据核外电子排布状况对元素化学性质进行分类的方法，对我们仍然有着重大意义。但随着第117号元素被发现，门捷列夫将所有元素整合到一张表中的宏伟构想也走到了尽头，由此也终结了元素周期表期表的历史使命。