化学世界的未解之谜——到底存在多少种元素？_科技前沿_化学文章

化学世界的未解之谜——到底存在多少种元素？

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2022-12-28 14:13:52

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化学世界的未解之谜——到底存在多少种元素？

学校教室墙上贴着的元素周期表（the periodic table）一直都在不停地修订，这是因为人类发现的元素数量在不停增长。使用粒子加速器让原子核对撞，科学家可以制造出新的“超重元素” （superheavy elements）。相比从自然界发现的92种元素，超重元素的原子核拥有更高的质子（proton）数与中子（neutron）数。它们巨大的原子核非常不稳定——在极短的时间内（通常只有几千分之一秒到几分之一秒），它们就会衰变（这种衰变具有放射性）。但是，在它们存在的时间内，这些新的人工合成元素，例如钅喜（seaborgium，第106号元素）以及钅黑（hassium，第108号元素），和其他元素一样，都具有能够被准确定义的化学性质。通过精妙设计的实验，科学家们抓住少量的钅喜和钅黑在衰变之前短暂存在的一瞬间，测量了它们的部分化学性质。

这些研究不仅仅是对性质的测量，它们还探索了元素周期表概念上的限制：超重元素能否延续元素周期表展现出来的规律与趋势（这些化学规律在元素周期表诞生之初便已经被归纳出来）？答案是，有些延续了规律，有些则没有。特别是，如此之大的原子核紧紧抓住了原子最里层的电子，因而这些电子能以接近光速运动。进而根据狭义相对论（special relativity）效应，这些电子的质量会增大，有可能破坏量子化的能量状态（即不连续的能级），而它们的化学性质——进而以此形成的元素周期表—— 都是依赖于能级理论建立的。

由于物理学家认为，只要原子核拥有“魔数”数目的质子和中子，就会特别稳定，因此他们想在元素周期表中找出一个名为“稳定岛”（island of stability）的区域——在这个区域中，超重元素更稳定，寿命更长，目前的合成技术还无法合成出这样的元素。但是，超重元素的大小是否有极限？依据相对论的一项简单计算告诉我们，电子无法被拥有超过137个质子的原子核束缚。更加复杂的计算也证实了这个极限。然而，来自德国法兰克福-歌德大学的核物理学家沃尔特·格雷纳（Walter Greiner）却坚持认为：“元素周期表绝对不会在第137号元素前止步不前；事实上，它永无止境。”但是，要想通过实验来验证格雷纳的断言，从目前的研究水平来看，这还是一个很遥远的目标。

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