元素週期表的終結

關於元素週期表,我們時常會聽到這樣一個論斷,那就是隨著倒數第二個元素,也就是第117 號元素的出現,117 號元素

元素週期表被填滿了。相信很多人都會有和我一樣的疑問,元素週期表怎麼會被“填滿”呢,按理說它應該是無窮無盡的才是,那麼這個“填滿”究竟意味著什麼呢?

對化學這一學科來說,元素週期表被填滿了又意味著什麼呢,好了做完了讓我抓狂的宇宙十大法則,我現在心情十分平靜,我們就慢慢來聊一下元素週期表的終結,首先我們來看一下這個填滿元素週期表的元素。

這哥們就是117 號元素,元素符號為Ts

元素週期表的終結

元素週期表的終結

Ts

一般我們可能直觀地認為,填滿元素週期表的應該是第118 號元素,但118 號元素OG 其實早在2006 年就被人工合成。

而117 號元素的合成還要晚四年,是在2010 年由美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室,橡樹嶺國家實驗室,和俄羅斯杜布納聯合核研究所的科學家們同時完成的

元素週期表的終結

勞倫斯利弗莫爾國家實驗室,Ts 的命名源自“田納西州”。

Ts 的出現,填補了元素週期表上最後一格空白的歸屬,可以說自從門捷列夫1869 年提出元素週期表以來,這張著名的表格就一直隨著新元素的發現而不斷擴大,時隔140 多年後,門捷列夫當年的直覺,終於以一種非凡的方式被實現,在140 多年前,門捷列夫只留下了一張不全的週期表

元素週期表的終結

門捷列夫的週期表,為許多當時未知的元素預留了位置。

他告訴世人,元素週期表不僅僅是所有元素由輕到重的簡單羅列,我們還能依據它來預測各元素的物理性質與化學性質,門捷列夫之所以會產生如此天才的想法,是因為雖然當時發現的元素還不多,只有63 種。

但將它們按原子質量進行增序排列後,他注意到這些元素的某些屬性在排列中,呈現出了週期性的特點,那就是隨著原子序數的增大,各種元素的顏色、外觀與化學反應等屬性,都體現出了週期性變化。比如原子質量為19 的氟,它可以與金屬發生劇烈的反應,而位於同一序列的原子質量為35 的氯,以及原子質量為80 的溴,也呈現出了類似的特點,同樣的原子質量40 的鈣,與原子質量137 的鋇都能在高溫下保持固態,等等這些。

於是門捷列夫便從中歸納出了一個普遍原理

元素週期表的終結

門捷列夫

他將其稱之為“週期性原理”,並在此基礎上,將有著相似化學性質的元素列在了同一列,同時留下了大片的空白,1875 年門捷列夫的預言首次獲得證實。法國化學家布瓦博德朗發現了鎵,填補了週期表中的第一個空格,之後在1879 年,人們發現了鈧,1886 年又發現了鍺,這些元素的發現,無一例外地證實了門捷列夫的預言。不過對於當時的人們來說

元素為什麼會呈現出這樣一種週期性規律,人們是並不清楚的,這個問題的解決,要得益於量子力學的出現。20 世紀初隨著量子力學的不斷髮展,終於在1925 年,人們得出了關於元素週期表的解釋,那就是元素性質的週期性,是原子核外各層電子的排布狀況所決定的。也就是說某個元素的化學性質,並不取決於它的原子質量,而是取決於原子最外層的電子數,而週期表上位於同一列的元素,也都有著相同的最外層電子數,按照這一規律,人們便得到了一張118 格的元素週期表。

元素週期表的終結

元素週期表

那麼為什麼是118 呢,為什麼不是881 呢?為什麼不是八萬呢?其實理論上可以存在無窮多的元素,但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形成的,因為它們都太不穩定,僅能存在極短的時間。

當然了118 只是一種情況,不同的模型得出的臨界質子數也不相同,有些模型中,可以存在的元素的最大序數是172 或是173,還有一些模型的結果是137,不過不管多少,人們的結論是相同的,那就是雖然理論上存在無窮多的元素,但當質子數大到一定程度的時候,元素存在的時間極其短暫,即使在宇宙某些極端的環境中可以生成,但存在的時間也幾乎可以忽略不計。

其實雖然我們說現在元素週期表已經被填滿了,但核物理學家一直沒有放棄尋找更大元素的努力,比如119 號和120 號元素。

元素週期表的終結

穩定島理論

由於元素中一些幻數的存在,一些超重元素可能具有較高的穩定性,存在的時間可能達到幾分鐘甚至幾年,當然了這只是猜想。

就在量子力學給出元素週期表確證的同一年,最後一個天然元素,75 號元素類錳,也就是錸,被德國化學家諾達克於錳鐵礦中發現,之後人類便走上了人工合成元素的漫漫長路,1940 年科學家,成功合成了第一個人造元素93 號元素鎿,之後鈈、鎇等超鈾元素也都相繼被合成。

隨著2006 年118 號元素OG 的成功合成

元素週期表的終結

118 號元素

元素週期表上就差一個位置虛位以待了,那麼這個117 號元素為什麼這麼難呢,我們簡單看一下合成的過程,就知道這是怎樣的巨大難題,首先科學家對一份鎇元素樣本,在美國橡樹嶺國家實驗室進行了18 個月的輻射

元素週期表的終結

元素週期表的終結

橡樹嶺國家實驗室

並對其進行充分提純後,得到了13 毫克極不穩定的錇

元素週期表的終結

隨後這份具有高度放射性的錇被帶回德國美因茨,製成靶體後,又被送到了德國赫爾姆霍茨重離子研究中心

在那裡的加速器中接受鈣離子束的轟擊,在幾個月的狂轟濫炸後,科學家對樣本進行檢驗,在其中終於找到了117 號元素的痕跡,可見就這樣一點微不足道的收穫,正是實驗技術突破極限的成就。

而同一時期,俄羅斯杜布納聯合原子核研究所,也成功完成了類似實驗,就這樣元素週期表被填滿了。看著滿滿當當的元素週期表,估計很多物理學家和核物理學家的心情是滿足的,以門捷列夫開端,到117 號元素的成功製造,人類終於完成了這場140 多年的接力賽,這期間多少人將畢生的心血都傾注其中。也有太多人甚至為此付出了寶貴的生命,同時隨著越來越重的元素被逐一發現,門捷列夫的天才設想,也一次次地被證實,但是瑕疵還是存在的,那就是一些重元素與週期性原理的預測並不完全吻合,週期性原理的可靠性遭到了挑戰,特別是對於一些超重元素來說,週期性原理甚至完全不適用,完全失去了意義。

最後得到的元素性質與週期性的預測完全不一樣,其實不只是這些人造的重元素與超重元素,一些較輕的天然元素也呈現了反常的狀態,比如第一副族中的金是黃色的,上面的銀卻是灰白色的,還比如汞,這哥們在常溫下呈現為液態,而其他所有金屬元素常溫下都是固態的,還有84 號元素釙的晶體結構是立方體,而位於它上方的52 號元素碲,則有著六邊形的晶體結構,那麼我們該如何解釋這些反常現象呢?這就要用到相對論了,隨著原子序數的增加,原子核中質子數上升,核電荷增強,這使得離原子核較近的電子獲得了更高的運動速度,按照這個趨勢,當原子核中質子達到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,由於質能轉換,如此一來元素的質量也隨之增大,又反過來影響到原子內電子的排布以及它們的運動軌跡,比如說在上世界90 年代科學家就發現,104 號元素釒盧,在溶液狀態下竟然能像鈈一樣反應,要知道這哥倆在週期表中可是相隔了10 個縱列,另外105 號元素釒杜,甚至與相隔14 列的91 號元素鏷,有著相似的化學性質,還有雖然106 號元素釒喜的化學性質,與週期表的預測相吻合,但它的性質卻與同族中的相鄰元素鉬和鎢,有著較大的差異,像上面這些例子還有很多,我們就不一一列舉了。

可見元素週期表到了後面部分,我們就無法根據週期性原理,僅僅通過同族元素的化學性質來推測其他元素的屬性,不過我們還要了解的是,超重原子核領域的研究其實還處於剛剛起步的狀態,還有很多未解之謎需要去破解,就比如114 號元素鈇,它就要比理論預言擁有更顯著的相對論效應。

但毋庸置疑的是,對於超重元素來說,我們已經無法從它們在元素週期表中的位置,來準確預測其化學性質了。所以說到現在為止,元素週期表已經失去了預測功能,它被填滿了,當然了填滿了並不等於被掏空了,就像牛頓萬有引力定律一樣,任何事物都有其歷史屬性,存在於一定的歷史範疇之中,甚至是地心說這樣的,我們現在看來荒誕不經的理論,也在歷史上發揮了巨大的作用。這些貢獻我們都不能抹殺,至於元素週期表失效的事實,也早在所有人的預料之中,這就是科學的發展,也是人類的進步,況且元素週期表還並沒有被取代,它根據核外電子排布狀況對元素化學性質進行分類的方式,對我們仍然有著巨大的意義,仍然是最基本的化學元素分類法。門捷列夫的宏偉構想走到了盡頭,但化學的發展卻依然消無聲息地日新月異。


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