大话元素周期表

　　自20世纪30年代以来，科学家已经合成了几十种新的化学元素。新元素的创造工作会一直延续下去吗?
　　这些合成元素，它们都是在实验室里创造出来的。一些研究认为，这些人造元素＂完成＂了元素周期表。但这是错误的，后面会出现更多的新元素。但这可能需要一段时间，因为新元素将越来越难制造。第八行元素
　　当119或120元素被创建时，它们将开启元素周期表的全新一行，将位于第八行。没有人知道通过创建新元素，元素周期表还能扩展多大。有可能元素种类无限多，没有限制；也有可能，原子超过了一定的临界点，就不会变得更重了。这种巨大的原子将是完全不稳定的，会在放射性的波动中立即解体。
　　但有一件事是清楚的。如果我们真的能造出更重的元素，我们会发现它们的行为会很奇特。
　　元素本质上是只含有一种原子的物质。所以制造一种新元素意味着制造一种新的原子。每个元素都有一个编号：例如，碳是6号。这个编号不是随意的标签，而是规定了该原子核中包含多少质子。质子带正电荷，它们聚集在原子中心形成原子核。较轻的电子带着与质子相反的负电荷，在弥漫的电子云中围绕原子核＂运行＂。
　　除了氢原子以外，原子核还含有第二种粒子：中子。中子的质量几乎与质子的质量一模一样，只是不带电荷。一种元素的原子可以有不同数量的中子，这些变体被称为＂同位素＂。中子就像一种胶水，把质子粘在一起。没有中子，质子间的正电荷相互排斥，会把它们分开。尽管中子粘合力如此强劲，但像铀这样非常重的原子，它的原子核里充满了相互排斥的质子，即使是中子也不能把它们聚集在一起。这些原子会经历＂放射性衰变＂：它们释放出粒子和能量。宇宙工厂
　　当一个原子衰变时，原子核中的质子总数发生变化，因此放射性衰变过程会将一种元素变成另一种元素。每种类型的原子核都有一个最佳的质子和中子的比例。所以，如果原子有太多或太少的中子，即使原子核很小，原子也会衰变。对于像碳和氧这样的轻元素，质子与中子的比例几乎是1:1。较重的元素需要稍微多出一些中子。宇宙的自然过程只能产生一定重量的元素。
　　最轻的五种元素，从氢到硼，大部分都是在宇宙起源的大爆炸中产生的。更重的物质是在恒星内部产生的。在那里，强烈的温度和压力迫使轻元素的原子核融合在一起。这叫做核聚变。更大的恒星可以产生更重的元素，比如汞，它的原子核中有80个质子。钚的秘密
　　元素周期表中的许多元素是在恒星爆炸或＂超新星爆炸＂的强烈环境中形成的。当原子相互碰撞时，释放出的巨大能量可以产生新的聚变，产生像铀一样重的元素，它有92个质子。这些核聚变反应需要大量的能量，因为带正电荷的原子核相互排斥。一个原子核必须移动得非常快，才能穿过这个势垒并与另一个融合。
　　因此，铀是自然界中含量最高的元素。目前还没有发现任何自然过程使任何东西变重。当科学家想要制造新元素时，他们必须使用粒子加速器将相互碰撞的原子加速到极高的速度，至少是光速的十分之一。
　　在1941年，美国的一个研究小组用＂重氢＂核轰击铀，每个重氢核包含一个质子和一个中子。碰撞后，形成了94号元素：钚。他们很快意识到，钚和铀一样，会在核裂变的过程中自发衰变。它巨大的原子核几乎会分裂成两半，释放出巨大的能量。
　　这一发现很快就得到了应用。粒子加速器中制造的钚，被用于1945年8月投放在长崎的＂胖子＂原子弹上。钚的发现一直是军事机密，直到第二次世界大战结束。战争一结束，这些科学家就开始认真地寻找新元素。几十年来，制造新元素的研究中心有两个，一个位于美国的伯克利的劳伦斯利弗莫尔国家实验室；另一个位于俄罗斯，是建立于1956年的莫斯科杜布纳联合核研究所(JINR)。美苏争霸
　　最初，美国人处于领先地位。他们在试验室中，利用原子核碰撞制造了第95、97和98号元素，分别被称为镅、锫和锎。
　　往后的新元素是以完全不同的方式被发现的。它们是在上世纪50年代，美国氢弹试验的碎片中被鉴定出来的。这些元素是在强烈的爆炸中，由铀在炸弹的＂引信＂上生成。99号和100号元素，以两位物理学家的名字命名，一个是爱因斯坦的＂锿＂(einsteium)和恩里科·费米的＂镄＂(fermium)。
　　随着冷战的深化，美苏不仅在军事上互相对抗，在新元素制造的归属上，也产生了一些激烈的争论。在20世纪50年代末到70年代初，伯克利大学和JINR研究小组就102、104、105和106号元素的起源争论不休。IUPAC（国际纯粹与应用化学联合会）一直致力于解决两方纷争，但直到1997年才将104号元素授予伯克利，105号元素授予JINR。有上限吗
　　虽然早期的人造元素是通过用轻得多的原子轰击重原子来制造的，但研究人员找到了合并两个中等大小原子核的方法。例如，用锌、镍和铬离子轰击铅或铋原子。通过这种方法，108号元素首次被制造出来，并命名为hasum。
　　要证明制造出了新元素，需要探测它们放射性衰变的特有方式。每种人造元素都有不同的衰变过程，每一种也都以它自己的速率衰减，即半衰期（样品一半衰减所花的时间）。这些微妙的信号必须在其他混乱的物理现象去探测，所以要判断是否制造出了一种新元素并不容易。
　　考虑到这些困难，我们似乎已经达到原子大小的上限。但是我们有充分的理由继续往元素周期表的第八行推进。因为重新为元素周期表排列一排的前景是诱人的，这意味着可以创造出我们从未见过的原子。奇特性质
　　原子中的电子被分成若干组，称为壳层。每个壳层都有特定的容量，正是这些壳层决定了原子的特性和元素周期表的形状。第一电子层只能最多容纳两个电子，比如：氢原子有一个，氦有两个。第二电子层最多可以容纳8个电子，这就是为什么周期表的第二行有8个元素。更高的电子层可以容纳更多的电子。
　　最新制造的四个新元素，是第7行的最后剩余的成员。如果我们能造出119号元素，它将是第8行的第一个元素，它将是第一个在第8电子层中，有一个电子的元素。这样极端的元素可能会打破元素周期表的规则。
　　周期表中同一列中的元素具有类似的属性，这是因为它们的最外电子层是以同样的方式排列的。例如，最左列的元素都是活性元素。它们的外层都只有一个电子，这是一种不稳定的结构：原子很容易失去这个电子。相比之下，最右列中的元素都有完整的电子组，这意味着它们极其不活泼，因此得名＂惰性气体＂。但这些规则可能不适用于所有的超重元素。
　　在它们的原子中，靠近原子核的电子被带正电的原子核紧紧地束缚着，它们以极快的速度移动。速度如此之快，快到接近光速。根据爱因斯坦的相对论，速度越快，电子的质量越重。结果，内层电子变重了。这对决定元素化学行为的外层电子产生了连锁反应，因为电子通过电荷＂感知＂彼此的运动。
　　＂相对论＂效应可能意味着超重元素的行为不像我们想象的那样。更重要的是，元素越重，它们的衰变速度就越快。这意味着，不仅要研究如何制造它们，更在在研制成功后的极短时间内检测它们，这将为新元素的制造带来挑战。
　　尽管如此，这些超重元素有可能是稳定的，它们可能存在足够长的时间，来使我们进行科学研究。事实上，超重元素并不总是越重越不稳定。也可能有一些原子核寿命相对较长，存在于一种＂稳定态＂中，这将取决于中子与质子的数量比值。特殊的稳定态
　　核物理学家发现，原子核中的质子和中子，就像轨道上的电子一样，被组织成壳层。填充的壳层的粒子数具有一定规律，并形成特别稳定的原子核。氦、氧、钙、锡和铅的原子核都有充满质子的壳层，这使它们特别稳定。充满的中子壳层也能带来稳定性。同位素铅-208具有＂双重壳层＂，它的外壳既充满了质子，也充满了中子。
　　对于超重的原子核，壳层粒子的个数规律计算比较困难，所以尚不能定义这些数字。根据理论推导，114号元素＂鈇＂(flerovium，以俄罗斯核科学家乔治·弗罗罗夫的名字命名）的两种同位素，具有＂双重壳层＂，因此可以相对稳定的存在。这两种同位素分别有184和196个中子，被命名为flerovim -298和flerovim -310。
　　flerovium会从核壳层效应中获得一些稳定性。flerovim-298的半衰期预计在17天左右，以超重元素的标准来看，这是相当长的。迄今为止，寿命最长的超重元素同位的半衰期只有2.6秒。目前还不清楚是否存在超重元素，它能够存在足够长的时间，得以将一个一个的原子聚集为可见物质。但这似乎不太可能，目前最乐观的情况是，一个超重原子能稳定的存在几天。幽灵粒子
　　除此之外，是否会出现原子重到无法存在的临界点?美国物理学家理查德·费曼是这么认为的。他进行了一个粗略的计算，结果表明不可能制造一个含有137个质子的原子核。原因是137号元素留不住最内层的电子，也就是第一层的电子，电子没有稳定的轨道，不得不脱离原子核。然而，在费曼的计算公式中，原子核的大小近似为零，这当然不符合实际。当进行更精确的计算时，在173号元素之前，最内层电子的也不会发生任何异常。
　　即使元素周期表没有尽头，也可能有一些奇怪的现象在周期表的深处等着我们。就算制造出了137号元素，原子仍然可以保持稳定，但会发生一些奇怪的事情。就像其他微小尺度上的量子事件一样，这一切都归结于量子力学。
　　这意味着，粒子可能会结对在虚无中凭空出现。一种粒子由正物质组成，另一种由反物质组成。正常情况下，正反物质相互接触后，会发生碰撞并湮灭。173号元素最里层的电子可能处于一种不寻常的、不稳定的状态，可以激发这些＂虚无＂粒子对。
　　如果内层的一个电子被踢出壳层，比如用x射线轰击它，它就会在壳层上留下一个洞。这个空穴将被一个从虚无中出现的电子填补。但正反物质都是成对出现的，为了形成这个带＂负电荷＂的电子，也必须形成一个带＂正电荷＂的电子，这个＂正电荷＂电子会从原子中发射出来。换句话说，这些超重元素的电子云可能偶尔会喷出反物质粒子。