元素週期表能無限延伸嗎？究竟還有多少元素等待我們發現？

我們知道，自上世紀30年代以來，科學家們又發現了許多新的化學元素。

2015年12月30日，化學元素週期表再次增添新成員。國際純粹與應用化學聯合會正式確認發現四種新的化學元素，而且這四種元素均已在實驗室中生成。

元素週期表是否能繼續延伸？

這種發現趨勢是否還能夠繼續下去？

究竟還有多少種新的化學元素等待我們去發現？

有科學家認為，即使元素週期表沒有邊界，但是隨着它的不斷擴展，肯定會出現奇怪的現象。

2015年12月30日，國際純粹與應用化學聯合會正式確認發現四種新的化學元素。一些報告認為，這些元素“完善”了化學元素週期表。

這種看法也許並不正確。可以相信，在此次批量發現新元素之後，肯定還有更多的新元素會不斷被發現。不過，這一發現過程可能會持續很長時間，因為新元素會越來越難以發現和生成。

這四個新元素能夠做到的“完善”，只是填滿了化學元素週期表的第七行。如果再發現第119號或120號元素，它們將另起一行，繼續擴充化學元素週期表。

隨着新元素越來越多，沒有人知道化學元素週期表究竟會擴展多長。有人懷疑，可能沒有極限。也有一些人認為，可能會有一個臨界點，即原子再也無法變得更重，因為這種巨大的原子是完全不穩定的，它們會立即以輻射的形式快速消散。

但有一件事是明確的，如果我們試圖製造出更重的元素，就可能發現它們的行為方式是極其怪異的。

元素是化學物質的最基本構件，一種元素其實是一種只包含一類原子的物質。因此，製造一種新元素就意味着製造一種新原子。每一種元素被賦予一個序號，比如碳的序號是6。這些序號並非只是隨意賦予的數字標籤，而是擁有一種最基本的含義，它們特指原子所包含的質子數。質子也是一種基本粒子，位於原子的核心部分，帶有正電荷，帶有負電荷的電子繞着原子核運行。除了氫原子外，原子核還包含有第二種粒子--中子，這是一種質量幾乎與質子相同但不帶電荷的粒子。一種元素的原子可以擁有不同數量的中子，這種變體被稱為“同位素”。中子起到一種粘合劑的作用，用於將質子約束在一起。如果沒有中子，質子因為帶有正電荷而互相排斥。

同理，一些較重原子的原子核(如鈾)也包含有許多相互排斥的質子，甚至中子也無法將它們聚合在一起。這樣的原子擁有“放射性衰變”，即釋放粒子和能量。當一個原子衰變時，其原子核中的質子數量在不斷變化。

因此，這種放射性衰變過程也會將一種元素變成另一種元素。這種説法聽起很奇怪，其實這一過程無時不刻發生於我們身邊，甚至發生於我們體內的某種原子。

每一種原子核擁有最理想的質子與中子比例，因此如果原子擁有太多或太少中子，它們就會衰變。

天然元素是如何形成的？

對於較輕元素，如碳或氧，這種穩定的比例恰好是1：1，較重元素需要中子稍微超出。宇宙的自然過程只能生成一定質量的元素。最輕的五種元素，從氫到硼，大多是生成於宇宙大爆炸過程中。更重的元素則只有生成於恆星中。

在恆星內部，極端的高温高壓環境迫使較輕元素的原子核聚合於一起，這就是所謂的“核聚變”。

較大的恆星可以生成較重的元素，比如汞原子核中擁有80個質子。不過，元素週期表中許多元素卻是生成於恆星爆炸或超新星爆炸的劇烈環境中。巨大的能量釋放也可以完成新類型的聚變，如一種原子撞入另一種原子，從而生成像鈾這樣的元素，鈾的質子數為92個。

核聚變反應需要大量的能量，因為正電荷的原子核會排斥另一種原子核。原子核必須要極速運動衝破這種障礙併合並在一起。因此，鈾是自然界擁有相當數量的最重元素，還沒有發現自然過程能夠生成比鈾更重的元素。

2017年，人類探測到雙中子星碰撞產生的引力波，並觀測到有大量的黃金合成，黃金的重量相當於數千顆地球的。

如何人工製造元素？

科學家要想製造新的元素，就必須利用粒子加速器將需要對撞的原子加速到一個極高的速度，甚至要達到光速的十分之一。

這一目標在1939年實現了。美國加州大學伯克利分校科學家生成了第93號元素，即鎿。兩年後，這一研究團隊又製造出第94號元素--鈈。

科學家們很快發現，鈈和鈾一樣會以極快的速度自發衰變，即核裂變，其大質量原子核會幾乎一分為二，釋放出巨大的能量。這一重大發現很快被投入應用，這種在粒子加速器中生成的鈈被用於製造了核武器，即1945年在日本長崎投放爆炸的原子彈--“胖子”。鈈的發現一直被當作軍事秘密，直到第二次世界大戰結束後。

胖子原子彈，裏面填裝的就是元素鈈

第二次世界大戰結束後，物理學家又開始尋找新的元素。幾十年來，美國關於此項研究的主要基地是伯克利，而現在大多數實驗都已轉移到了勞倫斯利福摩爾國家實驗室。

美國、俄羅斯和日本之間的競賽

俄羅斯方面的主要研究基地則是建於1956年的杜布納聯合核研究所。最初，美國人在這場核競賽中處於領先地位，因此第95、97、98號元素分別被稱為鎇(americium)、錇(berkelium)和鐦(californium)。

但是其它的新元素的發現途徑則完全不同，它們被發現於1950年代美國氫彈爆炸試驗的廢墟中。這些元素是在劇烈的爆炸中由核彈中的鈾聚合而成。

因此，第99號和第100號元素分別以核科學領域兩位先驅的名字命名，即鎄以着名科學家愛因斯坦命名，而鐨則以着名物理學家恩里科-費米命名。

從1950年代末到1970年代初，伯克利和杜布納聯合核研究所科學家一直在爭論究竟是誰最先生成了第102、104、105和106號元素。國際純粹與應用化學聯合會對此做出了最終判決，直到1997年才將第104號元素鑪的發現者明確為伯克利，將105號元素（釒杜）的發現者明確為杜布納聯合核研究所。同時，第107號元素的競爭則是由杜布納聯合核研究所和新的對手之間進行，即德國重離子研究實驗室，該實驗室德文簡稱為GSI，位於達姆施塔特。最終，兩家單位都被認為是該元素的發現者。

早期的人造元素都是利用較輕原子轟擊較重原子生成的。但是，德國重離子研究實驗室則找到了另一種方式，即利用聚合兩種中等大小的原子核，比如利用鋅、鎳和鉻離子轟擊鉛和鉍。通過這樣的方式，德國重離子研究實驗室發現了第108號元素，並將其命名為(釒黑)。近年來，新元素的生成則很少靠單打獨鬥，更多則是聯合研究的成果。

比如2015年發現的四種新元素，既有美國人的功勞，也有俄羅斯和德國人的貢獻。國際純粹與應用化學聯合會表示，最早確信發現第117號元素和第115號元素的人包括俄羅斯杜布納聯合核研究所、美國橡樹嶺國家實驗室以及勞倫斯利福摩爾國家實驗室等幾家單位，他們的成果來自於2010年到2012年間的各項實驗。杜布納聯合核研究所和勞倫斯利福摩爾國家實驗室於2006年開始合作，併成功發現了第118號元素。

當然，這些成果並非是毫無爭議的。俄羅斯人一直對將第113號元素認定由日本人發明而耿耿於懷。第113號元素被國際純粹與應用化學聯合會確認為由日本理化學研究所旗下仁科加速器研究中心的超重元素研究小組“森田研究小組”發現。俄羅斯人認為，杜布納聯合核研究所最早於2003年就已首次利用鈣轟擊鎇，而日本人的實驗則是在一年後，日本人是利用鋅離子轟擊鉍。

所有這些爭議的核心是，究竟什麼才算是真正有説服力的結果。國際純粹與應用化學聯合會的專家決定了這一結果，但這種決定畢竟很主觀。這些元素是通過對它們的放射性衰變特點進行檢測的。每一種同位素擁有不同的衰變過程，每一種同位素分別以自己的速度進行衰變，以半衰期進行測量。由於這種微弱的信號必須在與其它原子核聚合過程中進行探測，因此確定哪一家聲明更有説服力並不容易。

考慮到這些難點，我們似乎已經看到了原子大小的上限。但是，我們還是有很好的理由進入週期表的第八行。開啓元素週期表第八行確實令人振奮，因為這將意味着我們不再像以往那樣生成原子。

原子中的電子是以電子殼的形式排列的，每一層電子殼擁有特定的電子數量，正是這些電子殼決定了原子的行為方式以及週期表的形狀。第一層殼通常容納2個電子，氫原子有1個，氦有2個。第二層殼可以容納8個電子。這就是為什麼週期表的第二行有8個成員。更高層的電子殼擁有更多的電子。

新發現的四種新元素是元素週期表第七行的最後成員。如果我們能夠發現第119號元素，它將是第八行首個成員，因此這種元素第八層殼的電子數為1個。不過，這種極端的元素可能會打破現有周期表的組織規則。每一列的元素擁有相似的特性，這是因為它們的最外層電子殼以同樣的方式排列。

比如，最左側一列的元素都是活性金屬，在它們的外層殼只有一個電子。這是一種不穩定狀態，原子有可能失去自己唯一的電子。相反，最右側一列外層殼電子滿員，這就意味着它們是很難發生化學反應的，因此它們被稱為惰性氣體。

究竟還有多少元素等待我們去發現？

不過，這些規則可能並不適用於所有超重元素。在它們的原子中，位於原子核附近的電子被正電荷的原子核緊緊吸引，它們以極快的速度運行。它們的速度適用於愛因斯坦的相對論，即物質移動速度越接近光速越會增加質量。

因此，內層電子變重，這種連鎖反應會帶動外層電子，而外層電子則能夠決定元素的化學特性。結論就是這種連鎖反應意味着超重元素的行為方式可能並不像我們所認為的那種方式。

此外，超重元素似乎是越重衰變得越快。這就意味着不僅僅很難研究它們的化學特性，而且更難以生成它們，即使生成了也難以檢測它們的化學特性。同理，可以估計較大原子核的穩定性。因此，沒有任何證據證明我們無法進入元素週期表第八行。

事實上，超重元素並非總是越重越不穩定。還是有一些原子核相對長壽，存在於“穩定島”中。這要依賴於中子數量和質子數量。粒子物理學家發現，原子核中的質子和中子也像電子一樣以殼的形式，電子殼越滿狀態越穩定。氦、氧、鈣和鉛都擁有一個滿員電子殼，因此它們異常穩定。同樣的，中子殼滿員也意味着穩定性。

然而，現在看起來，這種穩定性在122號元素之前並不是決定性的。鈇也可以從原子核殼效應中獲得穩定性。鈇-298預計半衰期大約為17天，這對於超重元素來説已經是極高的標準了。已知壽命最長的同位素鈇-289半衰期為2.6秒。

現在並不清楚是否所有超重元素都能夠維持足夠長時間。是否有一個臨界點，即原子至此已無法再重，否則它們將不可能存在？

美國物理學家理查德-費曼則認為如此。他通過公式計算得出結論，原子核中不可能有超過137個質子，理由是最內層的電子，即第一層電子殼沒有穩定的軌道。

換句話説，第137號元素的原子核將無法控制住它們。不過，費曼的公式採用了一個近似值，即原子核大小近似為零，事實上當然不是。

當進行更為精確計算時，在第173號元素之前，最內層電子的能量似乎並未出現異常現象。第173號元素的最內層電子可能處於一種異乎尋常的不穩定狀態，即可能產生“虛擬”粒子。換句話説，這些重元素的電子雲可能有時會釋放出反物質粒子。

因此，即使元素週期表沒有邊界，但是隨着它的不斷擴展，肯定會出現奇怪的現象。

當然，我們將來是否能夠發現這些極端元素，則另當別論。