元素周期表,这下就填满了

作者:馒头老妖 来源:读者校园版

  2015年12月30日,国际纯粹与应用化学联合会发布了一个大新闻:2016年将对第113号、115号、117号和118号元素正式予以命名。很多媒体都惊呼:“化学元素周期表要被填满了!”

  那么,这几个元素到底是何方神祇,对它们的发现又有什么意义呢?元素周期表真的彻底完成了吗?

  这事儿,还得从门捷列夫老先生说起。

  “纸牌游戏”里的大名堂

  对于化学元素周期表,各位一定非常熟悉。门捷列夫的贡献,就在于他看到了纷繁现象背后的本质,把自然界中存在的各种元素,按照其原子量(一个原子核中质子和中子的数目之和),以从上到下、从左到右的顺序排列成了一个序列。

  有了这个序列,人类对各种化学元素的研究,就能够有的放矢了:我们可以预测某个未知元素的性质,甚至可以去“制造”某种元素!

  因为,既然元素的性质仅由其原子序数决定,那么我们只要造出具有某个序数的原子,就能获得一种新的元素了。无论它在宇宙中是否存在,理论上,我们都可以通过一个简单的加减法将其合成出来。

  比如,我们可以用一个硼原子(B,原子序数为5)作为炮弹,去轰击一个锎原子(Cf,原子序数为98),得到的新原子的序数就是:5+98=103。

  当这个新元素真的被制造出来并获得证实之后,国际纯粹与应用化学联合会决定,用物理学家欧内斯特·劳伦斯的名字来给它命名。正是劳伦斯提出了这种“原子大炮”的构想,所以,新元素现在就叫铹(Lr)。

  造一个新元素,就这么简单吗

  “原子大炮”的理论,听起来相当令人振奋。这似乎就是在说,人类可以不断地找到新元素了。这话或许只说对了一半。

  的确,在劳伦斯之后,各国的科学家都在按照这个理论,努力制造元素周期表中没有的新元素,一个个空白迅速被填补。这些元素通常被我们称为“人造元素”,因为它们在自然界中原本并不存在。当然,制造它们的装置,最常用的就是粒子加速器。

  但是,经过高速发展的阶段后,制造新元素的步伐逐渐慢了下来。这主要是因为越重的元素(也就是原子里包含的质子、中子的总数越大),其原子核中质子的相互排斥作用就越强,从而使得它们越发不稳定,合成难度随之变大。

  有多不稳定呢?比如,铹(260Lr)的半衰期只有3分钟,也就是说,一堆铹元素放在那儿,3分钟后就只剩下一半了,另一半已经分裂为其他元素。而原子(284Fl)的半衰期仅有4毫秒,其他人造元素的半衰期,甚至只能用微秒来衡量。

  同时,要获得这些“沉重”的元素,所需要的“炮弹”和“靶子”(被轰击的元素)都必须是原子序数很大的原子;而要让它们以极高的速度碰撞,自然就需要更强的能量、更庞大的装置。换句话说,需要耗费越来越多的时间与资源。

  即便你成功地合成了某个新元素,你还得证明你确实做到了。用大型电子对撞机,每次“开炮”能产生的新元素只有寥寥几个原子,而且还是稍纵即逝的,想要证实它们的存在并不容易。实际上,每一个新元素被首次制造出来之后,都要等待很长的时间,等到其他科学家再次制造出这个新元素,它才能获得国际纯粹与应用化学联合会的正式认可。

  正因为如此,一开头我们提到的那4种元素,并不是一夜之间突然冒出来的。比如,115号元素,早在2003年就被俄罗斯科学家公开报道,117号元素,由俄美联合小组在2010年发现,今天,它们才被国际纯粹与应用化学联合会认可。

  为啥还要这么做

  既然费时费力,人类为什么还要执着于创造新的元素呢?

  首先,这不是因为它们有什么独特的作用。从第100号元素(镄)之后的诸多人造元素,尽管人类付出了很多努力,但都还没有找到商业用途。即便真的能把它们用在什么地方,它们极昂贵的制造成本,绝对让大多数地球人望而却步。

  但对于科学家而言,它们又是颇有意义的事情。它们让元素周期表的第7周期得以填满,但这绝非意味着元素周期表“已经完成”。聪明的读者可能已经想到,如果我们把这些新发现的元素当作靶子,用其他原子去轰击它们,岂不是又可以得到原子序数更大的新元素?理论上,我们没有理由否定这种可能性。更何况这个未知的世界,本身就有着极大的吸引力。

  在创造这些新元素的过程中,需要克服的技术难题有很多很多,在这个攻坚的过程中也会催生新技术、新理论的诞生,为化学家、物理学家、工程师提供新的问题与思路。

  更重要的是,元素周期表本身也可能因此得到修正和升华。

  门捷列夫创造的元素周期表,至今依然是高度准确的,但它在未来是否依然坚不可摧?有些化学家认为,如果将元素周期表再往下拓展一个周期,也就是制造出“更重”的元素来,我们熟知的一些规则就可能不再适用。比如著名的马德隆常数,或许就要进行修正。如果真有那么一天,人类对化学的认知将会有一个质的飞跃,其意义不亚于元素周期表的发现。

  为了到达遥远的彼岸,就必须先跨过第7周期这个门槛。此次国际纯粹与应用化学联合会认可了本文开头提到的4种新元素的发现,既是一个重大成绩,又是一个新的起点。

  或许借用拇姬先生的一句话可以总结这种探索的价值:“3亿年前,当第一条两栖鱼爬上岸边时,其他鱼可能也问过它:‘你爬上去又有什么用呢?’”