@ 2016.04.15 , 10:00
37

元素周期表的第七行填满了,还能找到新元素吗?

从20世纪30年代开始,科学家们已经发现了几十种新化学元素。还会有新的化学元素被发现吗?

2015年12月30日,化学科学正式获得四个新课题。国际理论与应用化学联合会(IUPAC)证实发现了四种新的化学元素,这些新元素是在实验室中被创造出来的。

有报道称,这些新元素使元素周期表变得完整。这种说法是错误的,我们可以继续期待这批化学元素之后发现新的元素。这可能需要我们等待一段时间,因为化学元素的创造会变得更加困难。

四种新元素完善的是元素周期表的第七行,如果发现原子序数为119和120的元素,元素周期表将会开始新的一行。

没有人知道通过创造新的元素可以将元素周期表延长多少。有些人怀疑延长是无限制的。另一些人则认为有一个原子的承重点,因为如此巨大的原子完全不稳定,瞬间瓦解在一连串的放射性反应中。

但是有一点是很清楚的,如果我们设法创造越来越重的元素,我们会发现元素以他们真正独特的方式表现。

[-]
以铜元素为例(来源:科学照片库)

元素是化学的基本构建块。元素本质上是一种只包含一种原子的物质。制造一个新的元素意味着制造一种新的原子。

每个元素都分配有一个数字:例如,碳元素对应的是数字6。这些数字不是随意标记,都有一个基本的意义。他们指定一个原子(一种基本的粒子)包含多少质子。

“这听起来古怪但其实是每时每刻都在发生的,甚至是你身体里的一些原子。”

质子带有正电荷,他们在原子的中心聚集成一点。平衡质子的带有负电荷的更轻的扩散电子云绕原子核外的“轨道”而行。

除了氢原子外,原子核也包含另一种粒子:中子,与质子的重量几乎完全相等,但是中子不带电荷。元素的原子可以有不同数量的中子,这些变种可以称为“同位素”。

中子像胶水一样将质子约束在一起。如果没有他们,质子间的正电荷作用力会将质子分开。

[-]
一些元素释放放射性粒子(来源:伯克利劳伦斯实验室/科学照片库)

尽管如此,很重原子的原子核挤满了相互排斥的质子,即使是中子的优势也不能把它们粘在一起,例如铀。这些原子进行“放射性衰变”——它们放射粒子和能量。

“更大的恒星可以产生更重的元素,如汞。”

当一个原子衰变时,原子核中的质子总数会发生变化,在放射性衰变过程就变成另一个元素。这听起来很古怪,甚至是你身体里的一些原子。

每个类型的原子核都有一个最佳的中子质子比。所以如果他们有过多或过少的中子,原子就会衰变,即使是很小的原子核。

轻元素如碳和氧,稳定比例率是1:1。较重的元素需要稍微过量的中子。

宇宙的自然过程只能产生某些重量的元素。

[-]
元素周期表可以增长更大(来源:Nigel Hawtin)

从氢到硼的最轻的五个元素大多创造于宇宙起源的大爆炸。

任何较重的元素都是产生于恒星的内部。在那里,高温和高压迫使轻元素的原子核融合在一起,这就是所谓的核聚变。更大的恒星可以产生更重的元素,如汞,在其核有80个质子。

“一直到第二次世界大战以后,钚的发现仍然是军事秘密。”

但是元素周期表中很多元素是在恒星或“超新星”剧烈爆炸的环境中产生的。原子间的相互碰撞释放巨大的能量,使原子发生融合作用,产生像拥有92个质子的铀这种较重的新元素。

因为带正电荷的原子核互相排斥,所以这些核聚变反应需要大量的能量。一个原子核必须快速移动穿过这个屏障,并且与另一个原子核合并。

得出一个结论,铀是从自然界中发现的最重的元素,在自然过程中没有发现比它更重的元素。

所以当科学家想要制造新的元素,他们必须使用粒子加速器来加速原子的碰撞速度,这个速度可能是光速的十分之一。

[-]
钚曾经被使用在长岛爆炸的原子弹中(来源:Photo Researchers/Alamy Stock Photo)

“战争结束后,物理学家们开始认真地寻找新的元素。”

1939年,科学家在加州大学伯克利分校第一次创造了被称为“镎”的93号元素。

两年后,这个团队用“重氢”核轰击铀,每一个核都包含一个质子和一个中子。结果是94元素:钚。两年后,这个团队用含有一个质子和一个中子的“重氢”原子核撞击铀核,得到了94号元素:钚。

他们很快就意识到,钚像铀一样会在一个叫做核裂变的过程中自发衰变。其庞大的原子核几乎分裂一半,释放出大量的能量。

这一发现很快就被应用了,在1945年8月,利用粒子加速器制造的钚元素被使用在投放到长崎上的巨大的原子弹上。一直到二战结束后,钚元素的发现依然是军事秘密。

战争结束后,物理学家们开始认真地寻找新的元素。

[-]
联合研究所的核研究(来源:ITAR-TASS Photo Agency/Alamy Stock Photo)

“美苏两国之间的竞争产生了一些激烈的争议,是关于研究优先权的争夺。”

几十年来,美国这项研究的中心实在伯克利分校,但现在,大部分的活动已经转移到大约距此40公里处的劳伦斯利弗莫尔国家实验室。苏联的核研究工作基础在1956年成立于莫斯科杜步纳的联合研究所(JINR)。

最初,美国研究比苏联超前,得到了95号、97号和98号元素,分别称为镅,锫和锎。

他们在20世纪50年代从美国的氢弹爆炸试验中被发现,这些元素是在铀弹核炸过程中的“导火索”中产生的。

因此,元素99号和100号不是利用产地命名而是根据两位核科学家的名字命名:锿-艾伯特爱因斯坦;镄-恩里科费米。

随着冷战的深化,美苏两国之间的竞争产生了一些激烈的争议,是关于研究优先权的争夺。

[-]
门捷列夫德米特里发明的第一个周期表(来源:Sputnik/Science Photo Library)

“俄罗苏很不高兴,113号元素被判定为日本发现的。”

从19世纪50年代到19世纪70年代,伯克利实验室和JINR团队一直争论谁先发现102号、104号、105号和106号元素。IUPAC会判定这样的争议,一直到1997年104号元素(炉)被判定给伯克利实验室和105号元素(钍)被判定给JINR团队。

同时,JINR团队与在达姆施塔特的新成员——德国重离子研究实验室(德国简称GSI)107号元素的得分权的归属。107号元素的得分权最终使这两个团队分裂。

早期的人工元素是由撞击较轻的元素原子核制造的,然而GSI研究人员发现合并两个中型原子核的方法得到新的元素,例如,利用锌、镍和铬离子轰击铅靶和铋靶。通过这种方式,GSI最先制造出108号元素,命名为钅黑。

现在元素的制造更具协作性。制造新的四个元素时,汇集了美国、俄罗斯和德国的资源。

[-]
117号元素原子核(来源:Lawrence Livermore National Laboratory/Science Photo Library)

“我们似乎到达原子大小的上限了。”

IUPAC表示,关于115号和117号元素合成成功最能使人信服的原因是JINR(在田纳西州的橡树岭国家实验室)和利弗莫尔实验室在2010年和2012年间共同努力进行的实验。JINR与利弗莫尔的独立合作开始于2006年,并且他们那是发现了118号元素。

然而,这一切并不是非常值得乐观的,。俄罗斯很不高兴,113号元素的发现被归属于日本埼玉的理化学研究中心(以加速器为基础科学的实验室),并且命名为“japonicium”。
JINR表示他们最早在2003年通过钙粒子融进镁粒子的方法得到113号元素。日本实验则是在一年后通过锌离子加速撞击铋离子的方式得到113号元素。

问题是怎样就这些争议得出一个令人信服的结论。IUPAC的专家有权利决定结果,虽然这个结果也是相当主观的结果。

检测到新元素是因为一般一个原子在一个时间内通过特殊的方式进行放射性衰变。每个同位素衰变过程不同,它们以自己的速度衰减,计算半衰期(采取样品的衰减一半的时间)。
这些微妙的信号已经在其他核变过程中被发现,因此它很难决定说法是否具有说服力。

鉴于这些困难,看上去我们似乎已经达到了原子大小的上限。然而这是个充分的理由来开始元素周期表的第八行。

[-]
铝原子的简单电子壳层(来源:罗杰哈里斯/科学图片库)

“这些争议的问题在于怎样得到一个令人信服的结果。”

元素周期表新一行的开始前景是值得期待的,因为这意味着我们创造出了不同于我们以前见过的新原子。

电子在原子表面形成的组织被称为壳,每个电子壳都有特殊的能力,这些电子壳确定原子的行为方式和元素周期表的形状。

第一层壳只能容纳2个电子:氢原子只有一个,氦原子有两个。第二层壳可以容纳8个电子,这就是为什么周期表的第二行有八个元素成员。更高层的外壳可以容纳更多的电子。

四个新元素是第七行的最后成员。如果我们能创造119号元素,那119号元素将会是第八行的第一个新成员并且元素的第八层电子壳只有一个电子。

这样极端的元素很可能打破现有的管理元素周期表的规则。

[-]
一个铬原子的复杂的电子壳层(来源:罗杰哈里斯/科学图片库)

“‘对论’效应可能意味着超重型元素并不像我们所期望的那样。”

元素周期表中同一列的元素具有相似的属性,这是因为它们的电子层最外层有相同的电子。

例如,最左列的元素都是活泼金属。它们最外层电子层只有一个电子,这个电子很不稳定,原子很容易失去这个电子。

相比之下,最右列的元素都有完整的电子,这意味着它们很难发生化学反应,因此它们被称为“惰性气体”。

但是这些规则并一定涉及到所有的超重元素。

电子核附近的电子以极快的速度运行是因为他们被带正电荷的原子核紧紧束缚。电子运动很快以至于它们感受到爱因斯坦的狭义相对论理论(陈述物体接近光速移动获得质量)的影响。

[-]
轨道电子是带负电荷的(来源:艾尔弗雷德\科学图库)

“可能会有一些超重元素的原子核相对长寿。”

结果,内部电子变得越来越重。外层电子决定元素的化学行为是是个连锁效应,因为电子电荷使电子能感受到彼此的运动。

结果是“相对论”效应可能意味着超重型元素并不像我们所期望的。情况似乎像是钅卢(104号元素)和钍(105号元素),并不包括钅喜(106号元素)或钅黑(108号元素)。

即使研究这种影响是惊人的技术壮举,它需要研究少量元素的化学行为,并且这些行为仅存在几秒钟。

更重要的是,超重元素往往是越重衰减越快。这意味着不仅仅是研究其化学行为变得更难,对于制造新的超重元素也变得更难。

同样,当我们制造元素时,我们可以估算出这些较大的原子核的稳定性和它们能够维持的时间。所以原则上似乎没有理由让我们不开始元素周期表的第八行。

[-]
氦原子有2个质子和2个中子(来源:理察凯尔/科学图片库)

“现在看来,这个特殊的稳定可能不出现,直到122号元素。”

事实上,超重元素可能不总是不稳定的。在存在稳定范围内可能会有一些原子核相对长寿。这决定于中子和质子的数量。

核物理学家已经发现原子核的质子和中子像轨道电子一样,形成层状组织布满原子核。呈“神奇的数字”对应,并形成特别稳定的原子核。

氦、氧、钙、锡和铅的原子核都有一个充满质子的壳层,使它们的原子核特别稳定。充满中子的壳层也可以使原子核稳定。同位素铅-208就是同时拥有充满质子和中子的质子层和中子层。

超重核的计算揭示了神奇的数字很难确定的,并且目前还不大清楚这些数字有什么规律。

[-]
有多少元素?(来源: YAY媒体/Alamy Stock 图片)

“我们期待几个原子最好能存在几天不发生衰变。”

曾认为,114号元素(被命名为鈇,以纪念苏联原子物理学家乔治·弗洛伊洛夫)的两种同位素原子核拥有双重(质子和中子)壳层,因此会相对稳定。这些同位素有184和196个中子,因此被称为鈇-298和鈇-310。

现在看来,在122号元素以前,这个特殊的稳定可能不出现。

鈇仍然可能获得一些稳定的核壳层影响。根据超重元素的衰变标准预测鈇-298预计大约有17天的半衰期。到目前为止,最长寿命的同位素鈇-289的半衰期仅为2.6秒。

目前尚不清楚是否存在超重元素能够从原子开始在可感知范围内将持续足够的时间的积累。但是这看起来似乎不大可能。我们期待最好的可能是几个原子能存在几天不发生衰变。
除此之外,有一个新的观点,当原子多重时以至于它们根本无法存在?

[-]
由达尔顿编辑的元素列表(来源:科学照片库)

“对粒子有时会突然虚无的存在。”

美国物理学家理查德·费曼这样认为。他进行了粗略的计算表明,制造一个含有137个质子的原子核的原子是不可能的。

原因是最内层的电子没有稳定的轨道,换句话说,含有137个质子的原子核不能再继续约束它们。

然而,费曼计算时假设原子核大小接近为零,这个假设是不可能成立的。当计算更加精确时最内层电子的能量似乎没什么不良现象发生,这种实验一直持续到原子系数为173的元素。

即使这样原子可以保持稳定,但是还是有奇怪的变化出现。

[-]
现在有118个已知元素(来源:卡罗尔和迈克沃纳/科学图片库)

“即使元素周期表没有结束,在遥远的将来将会有新奇的发现等着我们。”

像其他所有在这些微小的尺度上,所有这一切都归结到量子力学。

这告诉我们,和其他奇怪的事情一样,对粒子有时会突然虚无的存在。一个粒子是由物质和反物质组成,例如,一个粒子是由一个电子和另一个相对应的正电荷组成。通常情况下,两个立即碰撞并相互湮灭。

这说明,173号元素最内层的电子可能会在一个不同寻常的,不稳定的状态下唤起这些“虚拟”的粒子。

如果这些电子被踢出电子层,例如通过使用X射线,会留下一个洞,这个洞将由一个从虚无中产生的电子填满,但是对于这个电子的形成,正电荷也必须对应形成,这将是原子发出的。

换句话说,这些元素的巨大的真实的电子云偶尔可能会射出反物质粒子。

即使元素周期表没有结束,在遥远的将来将会有新奇的发现等着我们。我们是否会探索这些极端的元素完全是另一回事。

本文译自 BBC,由译者 熊猫丹 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


给这篇稿打赏,让译者更有动力
支付宝打赏 [x]
您的大名: 打赏金额:

4.8
赞一个 (23)

TOTAL COMMENTS: 37+1

  1. 3112691

    黑洞算不算一个巨大的原子?

    [9] XX [51] 回复 [0]
  2. 3112693

    字面也看不懂,内容也看不懂=_=。。。一句话莫名重复。。。麻烦翻译回炉一下

    [11] XX [33] 回复 [0]
  3. 3112703

    @Loy: 中子星应该可以算

    [13] XX [18] 回复 [0]
  4. 无知
    @2 years ago
    3112705

    感谢煎蛋对联合研究所的支持……

    [17] XX [2] 回复 [0]
  5. 3112710

    配图里有瓦力

  6. 汤米
    @2 years ago
    3112713

    神配图 毫无PS痕迹

  7. 逗比
    @2 years ago
    3112716

    坐等UUZ元素

  8. 老蛋
    @2 years ago
    3112722

    @iused: 白矮星就可以算原子了吧?把物质的原子核都挤在一起。中子星貌似没有外部的电子围绕,电子被挤进原子核里和质子中和形成的,全部是中子构成的。
    小白想问问:既然说中子是“胶水”,那么某一个原子多添加些中子好像并没有什么障碍,可是为何会有限制呢?而且多余的中子还不是直接辐射掉,只是衰变成质子和电子,质子保留,电子辐射出去……

    [1] XX [13] 回复 [0]
  9. 逗比
    @2 years ago
    3112727

    突然想到,这意味着电脑又要造新字了= =

    [34] XX [0] 回复 [0]
  10. 3112728

    曾经是可以看懂的。

  11. 逼逼
    @2 years ago
    3112731

    为了看懂类似文章我打算重新上高中

    [10] XX [0] 回复 [0]
  12. Mikeven
    @2 years ago
    3112734

    《Element 119》

  13. 虵很生气
    @2 years ago
    3112735

    铪元素 +1

    [32] XX [0] 回复 [0]
  14. 你在逗我吗
    @2 years ago
    3112736

    @iused: 怎么能算

  15. 八咫猪
    @2 years ago
    3112741

    食材越来越多了嗯……

  16. 逗比
    @2 years ago
    3112742

    @虵很生气: 你漏了一个S

  17. 塞北耕夫
    @2 years ago
    3112748

    @老蛋:
    从物理上,白矮星不能算原子,原子是由强力和弱力构成的,而白矮星是由万有引力构成的。从化学上讲白矮星也不能算原子,因为引力效应已经远远大于电磁力,导致其无法进行化学反应。
    有很多构成宇宙的原料不能归纳到原子形态中,比如等离子体,比如中子星白矮星。

    [37] XX [2] 回复 [0]
  18. Vanessa
    @2 years ago
    3112766

    夸克星~

  19. 哟呵
    @2 years ago
    3112784

    不是有人常说中国人吃遍了元素周期表嘛

  20. 3112785

    好长的文章,译者辛苦了。门捷列夫死时学生们举了块牌子上面写的什么有人知道吗?

  21. 奥拉拉
    @2 years ago
    3112794

    人工制造元素,就是拥有了一些属于造物主的能力。

  22. 山神
    @2 years ago
    3112811

    第四张图下面的注释“钚曾经被使用在长岛爆炸的原子弹中”,是美国的长岛吗?

  23. ark12211
    @2 years ago
    3112818

    @哟呵: 后面那些东西还没到手里就没了,吃得遍的是何等神人

  24. 拉埃特
    @2 years ago
    3112841

    民科表示:这些老子早在《道德经》里预言到了

  25. 3112858

    两年后,这个团队用“重氢”核轰击铀,每一个核都包含一个质子和一个中子。结果是94元素:钚。两年后,这个团队用含有一个质子和一个中子的“重氢”原子核撞击铀核,得到了94号元素:钚。
    这段话重复了

  26. 大致
    @2 years ago
    3112875

    中间的一段翻译糟透了,还不如直接搬初中课本。

  27. 我是辣鸡
    @2 years ago
    3112881

    我这种读书少的看评论都看不懂

  28. 3112907

    有时候觉得我们真可能只是某一个生物中的一些大型细胞个体而已,原子这些只是更小的,因为这些都能分裂合体,和人细胞一样分裂合体,乃至宇宙其实都是细胞分裂合体的感觉

  29. physic99
    @2 years ago
    3112932

    根据量子力学,一对粒子可以从虚无中产生(相对于湮灭)。这对粒子是由物质与反物质构成的,比如一个电子和一个相对的反物质粒子,也可以叫做正电子(不是正电荷)

  30. 无烟煤
    @2 years ago
    3112935

    一篇关于探索未知元素可行性的文献综述。http://jandan.net/2016/04/15/chemical-elements.html。现已收录知网。

  31. 烛阴老妖
    @2 years ago
    3113022

    “这个洞将由一个从虚无中产生的电子填满”,这个太像是系统纠错了。难道我们真是生活在一个虚拟世界中?

  32. 3113073

    太长了

  33. alpha_boy
    @2 years ago
    3113315

    不可能吃遍元素周期表,因为有些元素用超级电子对撞机制造才能产生,产生后存在时间很短很短。

  34. 你好啊
    @2 years ago
    3113368

    这文章不错 小编辛苦了

  35. 天塌入虚怀
    @2 years ago
    3113398

    @inf: 没搜到,牌子上写的啥?

  36. 3114538

    完全闭壳层整个算一个球谐函数,这图不科学

  37. 3115125

    @山神: 笔误吧,目测是轰炸「长崎」的钚原子弹,就是「胖子」。

发表评论


24H最赞