化學(xué)元素周期表即將150歲仍在“添丁”
“氫氦鋰鈹硼，碳氮氧氟氖……”看到這一串字符，中學(xué)化學(xué)課上搖頭晃腦背誦化學(xué)元素周期表的場景是否又浮現(xiàn)在你眼前?
明年，化學(xué)元素周期表將迎來它的150周歲生日。為了給它“慶生”，聯(lián)合國宣布2019年為“國際化學(xué)元素周期表年”。
日前在杭州召開的中國化學(xué)會第31屆學(xué)術(shù)年會上，國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(IUPAC)主席周其鳳院士介紹了“IUPAC百年及國際化學(xué)元素周期表年”相關(guān)活動情況。
隨著“國際化學(xué)元素周期表年”的臨近，與化學(xué)元素周期表相關(guān)的話題不斷出現(xiàn)在媒體上?；瘜W(xué)元素周期律是如何被發(fā)現(xiàn)的?新元素怎么才能入圍元素周期表?人造元素是否該被納入元素周期表?不斷探尋新元素的意義何在?記者就此采訪了業(yè)內(nèi)專家。
門捷列夫的發(fā)現(xiàn)，是站在前人肩膀上
提到化學(xué)元素周期表，你或許很自然地聯(lián)想到俄國化學(xué)家德·伊·門捷列夫。在很多書籍中，門捷列夫都被稱為元素周期律的發(fā)現(xiàn)者和第一張?jiān)刂芷诒淼闹谱髡摺?/p>
在《偉大發(fā)現(xiàn)的一天》中，該書作者蘇聯(lián)科學(xué)史家鮑·米·凱德洛夫利用半部書的篇幅論證，元素周期律是門捷列夫在1869年2月17日這一天發(fā)現(xiàn)的。
對此，中國科學(xué)院大學(xué)人文學(xué)院歷史系教授袁江洋認(rèn)為，必須承認(rèn)門捷列夫在元素系統(tǒng)性質(zhì)與分類研究上是一位集大成者，但更應(yīng)該看到，門捷列夫所做的工作也是在前人研究基礎(chǔ)之上進(jìn)行的，其他人對元素周期律的貢獻(xiàn)也不應(yīng)被忽視。
事實(shí)上，在門捷列夫制定出其周期表之前，元素周期性思想已頻繁出現(xiàn)在化學(xué)家們的視野之中。袁江洋舉例道，早在1789年出版的《化學(xué)大綱》中，法國化學(xué)家拉瓦錫就發(fā)表了歷史上第一張《元素表》。在這張表中，當(dāng)時已知的33種元素被分為了4類。此后，有多位化學(xué)家對元素的性質(zhì)和分類開展研究。
和門捷列夫同時代的多位化學(xué)家，也對元素周期規(guī)律進(jìn)行了研究。1865年，英國化學(xué)家紐蘭茲在研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)元素按原子量遞增的順序排列起來時，每隔8個元素，元素的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)就會重復(fù)出現(xiàn)。他稱這一規(guī)律為“八音律”。
可以說，元素周期性思想在當(dāng)時化學(xué)界來說并非秘密，關(guān)鍵是如何將這種未定型的、甚至被奚落的思想轉(zhuǎn)化為切實(shí)的化學(xué)認(rèn)識。而這點(diǎn)，門捷列夫做到了。“他用一張當(dāng)時盡可能全面的元素表，完成了元素的系統(tǒng)分類工作，有效地提示元素之間的聯(lián)系，并以一些準(zhǔn)確的預(yù)言贏得了學(xué)界的認(rèn)可。”袁江洋指出。
兩大學(xué)會聯(lián)合把控準(zhǔn)入大門
從門捷列夫化學(xué)元素周期表誕生之初到現(xiàn)在，已過去了近150年。隨著時間的流逝，不斷有“新丁”加入到化學(xué)元素周期表中。它們中“資歷最淺”的當(dāng)屬2016年新加入的4種元素。
2016年11月，IUPAC核準(zhǔn)并發(fā)布了4種人工合成元素的英文名稱和元素符號，分別是：2004年發(fā)現(xiàn)的nihonium(Nh)、2003年發(fā)現(xiàn)的moscovium(Mc)、2010年發(fā)現(xiàn)的tennessine(Ts)和2006年發(fā)現(xiàn)的oganesson(Og)。元素周期表中第7周期被全部填滿。
緊隨其后，全國科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會等機(jī)構(gòu)啟動了這4種新元素的中文命名工作，并于去年將4種元素分別命名為(钅爾)、鏌、(石田)、(氣奧)。中國原子能科學(xué)研究院張煥喬院士、蔡善鈺研究員等專家參與了該項(xiàng)工
一個新元素被納入化學(xué)元素周期表中不是件簡單的事。張煥喬介紹，上世紀(jì)90年代初，IUPAC和國際純粹物理學(xué)會(IUPAP)發(fā)布了一系列評估新元素的標(biāo)準(zhǔn)。一旦有機(jī)構(gòu)宣稱發(fā)現(xiàn)了新的元素，IUPAC和IUPAP成立的聯(lián)合專家工作組將會對相關(guān)新元素提名候選者進(jìn)行評估和審查。對批準(zhǔn)的新元素，最后由IUPAC發(fā)布技術(shù)報告，確認(rèn)哪些機(jī)構(gòu)的新發(fā)現(xiàn)符合元素認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)，并公布使用。
新元素的認(rèn)定過程中，難免存在一些分歧和爭議。張煥喬舉例道，日本研究小組和美俄聯(lián)合研究小組先后宣布合成了113號元素Nh。2003年，美俄聯(lián)合小組以熱熔合方法在合成115號元素的過程中發(fā)現(xiàn)了113號元素。2004年，日本以另一種冷熔合的方法也發(fā)現(xiàn)了113號元素。最終，日本研究小組合成的第113號元素被國際機(jī)構(gòu)認(rèn)定為“新元素”，并且獲得了命名權(quán)。
“盡管美俄小組合成的時間更早，但他們的合成衰變鏈最終產(chǎn)物沒有進(jìn)入已知核區(qū)，相比之下，日本小組的合成衰變鏈最終產(chǎn)物進(jìn)入了已知核區(qū)，能夠明確地判斷為新元素。我覺得這可能是國際機(jī)構(gòu)解決命名權(quán)爭端并作出判斷的主要依據(jù)。”張煥喬介紹道。
113號元素是首個由亞洲科學(xué)家合成的新元素，相關(guān)工作也有中國科學(xué)家參與。然而令張煥喬感到遺憾的是，迄今為止，中國還沒有在合成新元素上實(shí)現(xiàn)突破。
探尋新元素，支持核物理重要理論
化學(xué)元素周期表上的大部分元素都是在地球上本身存在的自然元素，只有少數(shù)元素是人工合成的，后者被稱作“人造元素”。
你可能會問，人造元素為何也能被納入元素周期表?中科院近代物理所研究員徐瑚珊解釋道，化學(xué)元素周期表并非自然元素周期表，所以人造元素?zé)o疑能被列入表中。
蔡善鈺認(rèn)為這里必須提及美國著名核化學(xué)家西博格教授的卓越貢獻(xiàn)。他發(fā)現(xiàn)了新合成的93號和94號元素在周期表中排列的錯位現(xiàn)象，于1944年提出了著名的“錒系理論”。隨后發(fā)表了修改的周期表，在原表下方列入了與鑭系相似的第二系列——錒系，從而創(chuàng)新了現(xiàn)代元素周期表體系，并開辟了合成超钚和超錒系等一系列人造元素的道路。
合成人造元素的時間往往是漫長的, 合成的道路也并非一帆風(fēng)順。新元素合成需要投入巨大的財力, 并付出極大的努力，如提出新的方法、設(shè)計(jì)新的裝置、制造新的探測器等等。一旦合成后還要被其他實(shí)驗(yàn)室重復(fù)并確證，最終才可能被相關(guān)國際機(jī)構(gòu)認(rèn)定。那么，支撐科學(xué)家們探尋新元素的動力是什么?
在蔡善鈺看來, 超重元素的合成和研究有助于探索原子核質(zhì)量存在的極限，最終確定化學(xué)元素周期表的邊界，也是對原子核殼模型等相關(guān)理論正確與否的實(shí)際檢驗(yàn)。因此，超重元素的合成己成為當(dāng)代核物理和核化學(xué)的前沿領(lǐng)域和研究熱點(diǎn)。
談及探尋新元素的意義時，張煥喬認(rèn)為，隨著新元素不斷被發(fā)現(xiàn)，未來可能會找到超重核穩(wěn)定島，為核物理領(lǐng)域的重要理論——殼模型理論提供新的有力支持，并開發(fā)新的雙滿殼核區(qū)物理。
通常，原子序數(shù)小于20的原子核叫輕核，大于80的叫重核。而一般認(rèn)為104號元素以后的原子核，為超重原子核。目前發(fā)現(xiàn)的超重核半衰期都很短，大多在毫秒到微秒范圍。按照理論預(yù)言，會存在一些很長壽命的超重原子核，它們在核素表中所占據(jù)的區(qū)域，稱為超重核穩(wěn)定島。
張煥喬指出：“一旦超重核穩(wěn)定島被證明確實(shí)存在，將對物理、化學(xué)甚至天文等領(lǐng)域的研究產(chǎn)生重大影響。因此，對超重元素的研究，不僅是核物理的重大前沿領(lǐng)域之一，也是自然科學(xué)的一個重要基本問題。”
張煥喬認(rèn)為，在合成原子序數(shù)大于115的超重核區(qū)域中，隨著中子數(shù)的增加，超重核的半衰期在變長，隱含著有可能存在超重核穩(wěn)定島的趨勢，使得發(fā)現(xiàn)超重核穩(wěn)定島的前景更加可期。(唐 婷)
