耗時146年填完一張表

杭蘇

銘記史冊的日子

自從門捷列夫1869年提出元素周期表以來，這張著名的表格就隨著新元素的發現而不斷擴大，如今最后一個空格（倒數第二個）就要被填上了，這意味著周期表上的空格將首次被填滿。時隔146年，這位俄國化學家當年的直覺終于將以一種顯赫的方式成為現實，這是值得銘記史冊的日子。146年前，他只留下了一張不全的周期表，為許多當時未知的元素預留了位置，因為元素周期表不僅僅是所有元素由輕到重的簡單羅列，我們還能依據它預測各元素的物理與化學性質。

這一切都源于一個簡單卻天才的想法。19世紀中葉，門捷列夫在匯總當時已發現的63種元素時，將它們按原子質量的增序排列。于是他注意到這些元素的某些屬性在排列中呈現出周期性的特點：隨著原子序數的增大，各元素的顏色、外觀與化學反應性等屬性都體現出周期性變化。

例如，原子質量為19的氟，能與金屬發生劇烈的反應，而原子質量35的氯及原子質量80的溴也呈現出類似的特點；同樣，原子質量40的鈣與原子質量137的鋇都能在在高溫下保持固態等。門捷列夫從中歸納出了一個普遍原理，他將其稱為“周期性原理”，并在此基礎上，將有著相似化學性質的元素列在同一列，由此形成了元素周期表。

理論上的無窮多

到了1925年，量子力學的發展，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，某一個元素的化學性質取決于原子最外層的電子數，周期表上位于同一列的元素都有著相同的最外層電子數，故此也有著相似的化學性質。

所有的計算結果都表明，擁有超過特定數目質子的原子核是無法成形的，因為它們太不穩定，僅能存在極短的時間。然而，不同研究模型得出的臨界質子數也不盡相同。根據某些模型，能夠存在的元素的最大序數是172或173；而據另一些模型，該數字僅有137。為了驗證這些假說，核物理學家已著手準備一系列實驗，旨在合成第119、120乃至原子質量更大的元素。而且理論預測了一個“穩定區”，該區域中的超重元素（序數大于92）有著相對較高的穩定性，其存在的時間可能會持續數分鐘。要知道，許多新合成的超重元素存在時間僅有幾秒。

首次驗證預測

按照這一規律便得到一張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，隨著新元素被找到，成員也不斷擴展。1875年，法國化學家保羅發現了鎵，原子核中含有31個質子，填補了周期表中的第一個空格，而這與門捷列夫的預測完全一致；1879年發現了鈧，鍺則于1886年被發現。此后，隨著能在自然界中存在的足夠穩定的元素被全部發現，探索新元素的陣地也轉移到了核反應堆與粒子加速器中。

1940年，科學家首度成功合成原子質量大于92號元素鈾的新元素镎，它的原子核中含有93個質子。接著94號元素钚、95號元素镅等一系列元素也相繼被發現……到2006年時，元索周期表上118個格子僅剩第117號還是空白。

現在被稱作第117號元素的合成實屬不易。德國美因茨約翰-古滕堡大學的克里斯托夫·丟爾曼及其72名合作者首先制造了13毫克锫。锫這種元索極不穩定，為了合成這種元素，科學家對一份镅的樣本進行了18個月的輻射，并在美國橡樹嶺國家實驗室完成了復雜的提純。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達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。

數月的離子轟炸后，科學家對樣本進行檢驗，在其中找到了117號元素原子核的痕跡。這微不足道的收獲是“實驗技術突破極限所取得的非凡成就”。這也確證了2010年俄羅斯杜布納聯合原子核研究所的發現：他們當時已經合成了微量的117號元素。這意味著，是時候填補元素周期表最末行中的最后一個空缺了。

無法解釋的現象

隨著越來越重的元素被逐一發現，門捷列夫天才設想的準確性也一次次地被證實。然而不無反諷的是，新發現的這些重元素與周期性原理的預測并不完全吻合，周期性原理的可靠性遭遇了挑戰：傳統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。

如今憑借著強大的粒子加速器，人們合成出了越來越重的元素，在這個過程中，傳統的周期性原理卻漸漸失去了預測力。越來越多屬性和預測不符的反常元素被發現，按傳統的周期性原理看來，它們似乎出現在了錯誤的格子中。此前，物理學家已經發現數種反常的輕元素，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，所有其他金屬元素常溫下則都是固態；釙的晶體結構是立方體，而表中位于其上方的碲則有著六邊形的晶體結構……

所有這些例外有一個解釋，那就是愛因斯坦的相對論。物理學家早已注意到，隨著原子序數的增加，核中質子數上升，核電荷增強，這使得離核較近的電子獲得更高的運動速度。按照這個趨勢，當元素核中的質子數達到100左右時，電子的運動速度將變得極大，以致產生顯著的相對論效應，質量也隨之增大，以致影響到原子內電子的排布以及它們的運動軌跡。1990年代，加州大學伯克利分校的研究人員發現104號元素在溶液狀態下竟能像钚一樣反應，要知道，這兩個元素在周期表中相隔10個縱列！而105號元素甚至與相隔14列的91號元素有著相似的化學性質。雖然106號元素的化學性質與周期表的預測相吻合，但它的性質與同列中的相鄰元素鉬和鎢卻有較大差異。與此類似，112號元素的化學性質并不像金屬，而是像相對論預言的那樣，更像相隔6列之遠的惰性氣體。換而言之，對于超重元素，元素周期表失去了預測功能。

雖然如此，但是元素周期表根據核外電子排布狀況對元素化學性質進行分類的方法，對我們仍然有著重大意義。但隨著第117號元素被發現，門捷列夫將所有元素整合到一張表中的宏偉構想也走到了盡頭，由此也終結了元素周期表期表的歷史使命。