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背元素周期表，可能是每一個初學(xué)化學(xué)的人都會經(jīng)歷的痛苦過程，不過就算是做化學(xué)研究的人，也未必敢說元素周期表里的元素全都認(rèn)識，但這并不妨礙咱們提出這樣一個專業(yè)的問題：元素周期表里的元素，有盡頭嗎？

一張最新的元素周期表

圖片來源：libretexts.org

現(xiàn)實中的盡頭

到你正在閱讀的這一秒，第 118 號元素 Oganesson（縮寫為 Og）是迄今為止人類發(fā)現(xiàn)的元素周期表中最靠后的元素，也是人類已合成的最重元素，它的出現(xiàn)是某種意義上的圓滿——元素周期表的前七個周期全部補(bǔ)全了。

第 118 號元素的原子結(jié)構(gòu)

圖片來源：wikipedia

有意思的是，Og 的第一次亮相，是以一次巨大的丑聞收場。

這事還得從 1999 年說起。美國勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory，LBNL）以 Victor Ninov 為首的 15 人研究團(tuán)隊在《物理評論快報（Physical Review Letters）》上發(fā)表論文，宣稱發(fā)現(xiàn)了元素周期表上空缺的第 118 號元素，在新元素衰變中，順手還發(fā)現(xiàn)了未見報道的第 116 號元素。

圖片來源：論文截圖 [ 1 ]

利用實驗室 88 英寸回旋加速器，配合新安裝的伯克利充氣分離器（BGS），研究團(tuán)隊用高能氪 -86 離子束轟擊鉛 -208 靶，得到的新原子核放出 1 個中子，成為第 118 號新元素（當(dāng)時還未對其命名），同位素的質(zhì)量數(shù)為 293。

圖片來源：論文截圖 [ 2 ]

但非常遺憾的是，包括德國 GSI、日本物理化學(xué)研究所（RIKEN lab）和法國 GANIL 重粒子加速器國家實驗室在內(nèi)的全球多個權(quán)威科研機(jī)構(gòu)都無法重復(fù)實驗，甚至連 LBNL 自己都不能重復(fù)最初的結(jié)果。新元素發(fā)現(xiàn)的真實性受到廣泛懷疑。

為搞清真相，LBNL 對研究團(tuán)隊進(jìn)行了為期 1 年的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)實驗結(jié)果中的重要參數(shù)系偽造，相關(guān)研究人員存在 " 學(xué)術(shù)不端 " 行為。先前發(fā)表的論文被撤稿，Victor Ninov 也被解雇，這位老兄從此告別物理學(xué)界。

勞倫斯伯克利國家實驗室宣布之前關(guān)于 118 號元素的實驗為學(xué)術(shù)不端的新聞截圖

圖片來源：physicstoday.scitation.org

尋找第 118 號元素的第一次嘗試因?qū)W術(shù)不端而失敗，但這也促使全世界其他科研團(tuán)隊，對其進(jìn)行更積極的尋找。

2002 年，在俄羅斯杜布納聯(lián)合原子核研究所（Joint Institute for Nuclear Research，JINR），由俄羅斯和美國科學(xué)家組成的研究團(tuán)隊觀察到了第 118 號元素的第一次真正的衰變。他們在回旋加速器里用鈣 -40 離子轟擊人造元素锎－249，并合成了 118 號元素。但當(dāng)時觀察到的新元素衰變能，與已知的 212mPo 的衰變能很接近，而 212mPo 又是聚變反應(yīng)中產(chǎn)生的一種常見雜質(zhì)，加之此時距離 LBNL 宣布撤稿不遠(yuǎn)，所以在發(fā)現(xiàn)新元素后的第一時間，研究團(tuán)隊很謹(jǐn)慎，并未著急確認(rèn)這一結(jié)果。

2005 年，聯(lián)合團(tuán)隊重復(fù)了之前的實驗，仍然通過衰變間接觀察到了新元素的產(chǎn)生。2006 年，這個由亞美尼亞裔俄羅斯核物理學(xué)家尤里 · 奧加內(nèi)森（Yuri Oganessian）領(lǐng)導(dǎo)，成員包括加利福尼亞州勞倫斯 · 利弗莫爾國家實驗室科學(xué)家的聯(lián)合研究團(tuán)隊，宣布發(fā)現(xiàn)第 118 號元素，同位素的質(zhì)量數(shù)為 294。

圖片來源：論文截圖 [ 3 ]

盡管聯(lián)合研究團(tuán)隊萬分謹(jǐn)慎，但國際純化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）顯然更謹(jǐn)慎。五年后的 2011 年，IUPAC 在詳細(xì)評估了 2006 年發(fā)表的結(jié)果后得出結(jié)論，在認(rèn)定數(shù)據(jù)真實的前提下，認(rèn)為實驗結(jié)果與已知的重核沒有確信的錨定，所以不符合發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn) [ 4 ] 。盡管如此，聯(lián)合團(tuán)隊的研究人員仍然十分自信，他們認(rèn)為結(jié)果為假陽性的可能性低于十萬分之一。

最重元素的記錄刷新，本來就是萬眾矚目的事情，IUPAC 略顯保守的結(jié)論，似乎也在情理之中。

事情很快出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機(jī)。2011 年，德國 GSI 的研究團(tuán)隊嘗試合成第 120 號元素，他們用鉻 -54 轟擊人造元素鋦 -248，發(fā)現(xiàn)了疑似第 118 號元素的衰變信號。這次得到的新元素比較穩(wěn)定，相比于美俄聯(lián)合團(tuán)隊報道的 0.7 毫秒半衰期，德國團(tuán)隊得到的重元素，半衰期為 181 毫秒。

有了前后兩組數(shù)據(jù)，IUPAC 與國際純物理與應(yīng)用物理聯(lián)合會（IUPAP）的聯(lián)合工作組對新元素的發(fā)現(xiàn)進(jìn)行核查，終于在 2015 年 12 月 30 日確認(rèn)了第 118 號元素的發(fā)現(xiàn)，鑒于兩次結(jié)果得到的是同一個元素，美俄團(tuán)隊先得到其 294 同位素，德國團(tuán)隊后得到 295 同位素，所以該發(fā)現(xiàn)的優(yōu)先權(quán)分配給了美俄聯(lián)合團(tuán)隊。IUPAC 對此次確認(rèn)結(jié)果非常自信，興奮地宣布：元素周期表的第七周期已經(jīng)完成。

圖片來源：IUPAC 官網(wǎng)截圖

但當(dāng)時 IUPAC 并沒有給出第 118 號元素的名字，仍然使用在 1979 年確定的元素周期表系統(tǒng)占位名稱—— Uuo。根據(jù) IUPAC 的建議，新元素的發(fā)現(xiàn)者 / 團(tuán)隊有權(quán)提出一個名稱，經(jīng)討論同意后作為官方名稱使用。

2016 年 3 月，美俄聯(lián)合團(tuán)隊的科學(xué)家們召開了一次電話會議，在要求尤里 · 奧加內(nèi)森離席后，團(tuán)隊成員一致決定將第 118 號元素命名為 Oganesson。這個名字顯然是以奧加內(nèi)森的姓氏為基礎(chǔ)，遵照 IUPAC 建議的稀有氣體的命名規(guī)則（除氦外的稀有氣體元素均以 "on" 結(jié)尾）而來。2016 年 6 月 8 日，IUPAC 在其官網(wǎng)宣布，第 118 號元素命名為 Oganesson，元素符號為 Og。

圖片來源：IUPAC 官網(wǎng)截圖

至此，第 118 號元素的發(fā)現(xiàn)，終于畫上一個完美的句號。

理論上的盡頭

眾所周知，元素周期表按照質(zhì)子數(shù)的多少進(jìn)行排列，排位越靠后的元素，原子核中的質(zhì)子數(shù)就越多，顯然，不論是理論上還是實際中，質(zhì)子數(shù)都不可能為無限大，一定會出現(xiàn)某個 " 邊界 "。

原子核里有質(zhì)子和 / 或中子，兩者依靠 " 強(qiáng)相互作用力 " 結(jié)合，維持了原子核的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。強(qiáng)相互作用力是自然界四種基本相互作用力中最強(qiáng)的一種，雖然強(qiáng)，但特點是作用距離超級短，僅有 10-15 米左右，近了遠(yuǎn)了都會變?nèi)酢Ｒ簿褪钦f，原子核內(nèi)并不是所有核子之間都有作用力，一個核子只能跟相鄰的幾個核子產(chǎn)生作用力。

原子結(jié)構(gòu)示意圖

圖片來源：veer 圖庫

與之對應(yīng)的，是原子核結(jié)合能，指的是核子（質(zhì)子和 / 或中子）結(jié)合成原子核所放出的能量。結(jié)合能是使核子在 10-15 米限度內(nèi)組成一個穩(wěn)定核體系的必要因素。結(jié)合能與其核子數(shù)之比，稱為比結(jié)合能。

鐵是比結(jié)合能最大的元素，所以，以質(zhì)量（也就是核子數(shù)量）而論，鐵是銀河系里，也可能是宇宙中最多的金屬元素。以鐵為代表的質(zhì)量中等的核，比結(jié)合能最大，略輕的或略重的，比結(jié)合能都更小。對于重核來說，因為可能的同位素組合更多，所以質(zhì)量數(shù)的變化可以很大，但有趣的是，比結(jié)合能的變化不大。這暗示了原子核內(nèi)部作用力的一種飽和性。

雖然目前人類得到的元素 " 僅有 "118 種，但如果把同位素也計算在內(nèi)的話，人類目前得到的原子核的種類則超過 2000 種。有人以原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù) Z 做橫坐標(biāo)，中子數(shù) N 做縱坐標(biāo)，把這些原子核放上去構(gòu)成核素圖，就會發(fā)現(xiàn)自然界中的原子核（非人工合成）都沿著 β 穩(wěn)定線分布。這就是 " 超重核穩(wěn)定島理論 "。若這個理論為真，從曲線的走向上來看，橫坐標(biāo)的質(zhì)子數(shù) Z 也有盡頭。

圖片來源：論文截圖 [ 5 ]

如果把視野 " 放大 " 到整個原子里，隨著原子序數(shù)的增大，原子核里的質(zhì)子越來越多，對核外電子的吸引力也越大，這對于內(nèi)層軌道的電子來說，需要的速度是驚人的。理查德 · 費(fèi)曼根據(jù)玻爾的模型計算過，當(dāng)原子核中的質(zhì)子超過 137 個時，內(nèi)層軌道電子的速度會超過真空中的光速，這顯然是不可能的。而且波爾的模型沒有考慮相對論效應(yīng)，具有一定局限性。

還有些理論認(rèn)為在質(zhì)子數(shù)為 173 時，原子核的結(jié)合能會超過電子的不變質(zhì)量對應(yīng)能量的 2 倍，達(dá)到電子 - 正電子對的湮沒能量，所以核外電子永遠(yuǎn)無法填滿。

技術(shù)上的盡頭

除了現(xiàn)實和理論上的盡頭，技術(shù)上的門檻，可能會讓元素周期表的 " 盡頭 " 來得更早一些。目前許多元素都是人工合成的，但這種合成在技術(shù)上也遇到了瓶頸。

元素周期表中人工合成的元素

圖片來源：wikipedia

人工合成元素已經(jīng)形成了特定的套路。具體辦法是選取兩類原子，一類較重，一類較輕，給較輕的原子加速成束，轟擊較重的原子。由于原子一般呈電中性，無法直接將其加速，所以較輕的原子首先需要離子化，然后在巨大的電場中進(jìn)行加速。完成上述過程的裝置叫做加速器。為了獲得足夠的能量，有人想到讓靶子也同步高速運(yùn)動起來，提高撞擊的效率，于是有了對撞機(jī)。兩者在外觀上很相似。

想要完成這種轟擊，兩種 " 原料 " 的純度必須足夠高，否則得到的都是不想要的新原子核，即使合成了新原子核，其數(shù)據(jù)也會被淹沒在大量雜質(zhì)元素產(chǎn)生的無效數(shù)據(jù)中。另外，原子核體積很小，需要轟擊很多次才能偶然打中。但即使幸運(yùn)地打中了目標(biāo)，兩個粒子也未必能克服正電荷之間的庫倫排斥力；即便能克服庫倫斥力，也有可能會因為 " 力道太大 " 而把原子核打碎，得不到目標(biāo)中融合而出的重核 …… 總之，很難啊。

既然是撞擊，就有一個概率問題。在實驗中，想得到目標(biāo)中的新元素，概率是非常低的。比如第 113 號元素 Nh 是通過鋅 -30 轟擊鉍 -83 獲得，整個實驗持續(xù) 80 天，轟擊次數(shù)達(dá)到 1.7×1019 次，最終才得到新元素。而第 118 號元素的合成實驗，一次就要 4 個月，轟擊 1.7×1019 次。2002 年和 2005 年兩輪實驗下來，總共才出現(xiàn) 3 個或 4 個新元素的原子核—— 2002 年 1 個或 2 個，2005 年 2 個。感興趣的可以自行計算這概率究竟有多低。

理論上講，只要加速器足夠牛，合成出更多的未知元素都不是問題。但事實上，合成新元素對儀器的要求非常高。按照 JINR（上文中的杜布納聯(lián)合原子核研究所）負(fù)責(zé)人的說法，世界上其他裝置未必能實現(xiàn) Og 的合成，他認(rèn)為自家的加速器是世界上唯一能做出這個實驗的加速器。也正是因為有這份底氣，JINR 也早在 2016 年就開啟了新一輪的挑戰(zhàn)：合成第 119 號元素。

圖片來源：JINR 官網(wǎng)截圖

如果人類還想獲得更多新元素，就需要更大型加速器 / 對撞機(jī)設(shè)施、更強(qiáng)的超導(dǎo)磁鐵、更靈敏的探測器 …… 這自然意味著更多的時間和金錢，以及運(yùn)氣。

總之，就現(xiàn)在人類整體的裝備實力而言，新元素的發(fā)現(xiàn)在技術(shù)上已經(jīng)很接近盡頭了。難怪 Nature 在 2019 年發(fā)文，說元素周期表邊緣的實驗屬于極端的化學(xué)。

圖片來源：Nature 官網(wǎng)截圖

結(jié)論

元素周期表有盡頭嗎？盡管目前在表上有盡頭，也存在技術(shù)上的限制，但在理論上，這還是個懸而未決的問題。不過無論如何，科技總是會繼續(xù)發(fā)展，探索也絕不是裹足不前的。怕什么真理無窮盡，進(jìn)一寸有一寸的歡喜！