元素周期表在哪里结束

2. 元素周期表在哪里结束？

门捷列夫完成的科学勋业

自18世纪中叶到19世纪中叶的100年中，一系列新元素随着生产和科学实验的大发展接连不断地被发现，到1869年，已有63种元素为科学家们所认识。另一方面，测定原子量的工作到19世纪中叶已经有了广泛的进展，统一的原子量被肯定下来，原子价的概念也得到明确。关于各种元素的物理及化学性质的研究成果，这时也积累得相当丰富了。然而这些材料很杂乱，缺乏系统性。面对大量的实验材料，人们思索着：地球上究竟有多少种元素？怎样去寻找新元素？各种元素之间是否存在着一定的内在联系？对这一系列问题，从19世纪初化学家们就在寻求着答案。

1829年，德国化学家德贝莱纳（Johann Wolfgang Dbereiner）对当时已知的54种元素进行了系统研究，提出了“三元素组”的分类方法；1862年，法国人尚古多（Béguye de Chancourtois）提出了元素的性质就是数的变化的论点，创造了一个《螺旋图》；接着英国人奥德林（Willidm Odling）发表了以当量为基础的“元素表”；1864年，德国化学家迈尔的《现代化学理论》出版，他明晰地论述了化学科学的基本原理，其中也包括按原子量的顺序排列元素的初步方案，并在书中列出了一个“六元素表”（此表已具备了化学元素周期表的雏形）；1865年，英国化学家纽兰兹（John Alexander Reina New lands）把元素按原子量大小顺序进行排列，他发现从任意一个元素算起，每到第8个元素，其性质相近。他把这个规律称为“八音律”。

与此同时，俄国圣彼得堡大学化学教授门捷列夫批判地继承和发展了前人的工作，对新掌握的资料进行比较和研究，他紧紧抓住原子量这个元素的基本特性，努力探索原子量与元素性质之间的相互关系。他将元素按原子量的大小排列起来，发现元素的性质经过一定周期呈现明显的重复性，而每一周期元素性质的变化也显示出一定的规律性。经过反复的研究和核实，他于1869年2月提出了周期律，即“按照原子量的大小排列起来的元素，在性质上显现明显的周期性”，并发表了他的第一个周期表。同年3月，他在《元素属性和原子量关系》的论文中，阐述了关于元素周期律的基本论点。1871年，门捷列夫又对周期表作了重要修改，他纠正了一些元素的原子量，并在周期表（表2-1）中留出空格，预言了6个未知元素的性质。不久，当镓、钪和锗先后被发现，而其性质同门捷列夫所预言的“类铝”、“类硼”和“类硅”几乎完全一致时，令学术界十分惊叹。至此，门捷列夫的周期律才为世人所重视，他的伟大发现才得到公认。

元素周期律的发现具有重大的科学意义和哲学意义。周期律表明，各种元素随着原子量（后来证明是核电荷）的增加，而引起化学元素性质周期性的变化。这样便从本质上揭示了各种化学元素之间的区别和联系，实现了对无机化学从感性认识到理性认识的飞跃，从广义上来说，为人类提供了探寻自然界周期发展的钥匙。元素周期律把原来认为是彼此孤立，各不相关的各种元素看成是有内在联系的统一体，表明元素性质发展变化的过程是由量变到质变的过程，这就用科学的事实证明了辩证唯物主义中的质量互变的规律，丰富了辩证唯物主义哲学的基本结论。恩格斯曾高度评价元素周期律的发现，指出：“门捷列夫不自觉地应用黑格尔的量转化为质的规律，完成了科学上的一个勋业，这个勋业可以和勒维烈计算尚未知道的行星海王星的轨道的勋业居于同等地位。”^[4]

周期表中的新“房客”

1869年门捷列夫发表他的周期表时，当时已知的元素只有63种。到了19世纪末，不仅门捷列夫预言的几种元素已先后被发现，而且由于化学实验的进步，已发现的元素达到70余种，其中惰性气体（现称稀有气体）元素的发现过程，堪称元素发现史上的趣话。

氦元素的最初发现者不是化学家而是天文学家。1868年法国天文学家詹森（Janssen）在观察日全食时，曾在太阳光谱上看到一条与钠的D线不在同一位置上的黄线。后来经英国天文学家洛克耶尔（J.N.Lockyer）研究发现这条新谱线并不属于当时已知的元素，他把这种元素定名为氦，即希腊语“太阳”的意思。1888—1890年之间，美国化学家赫列布朗德（Hillebrand）用硫酸处理一种铀矿，获得一种不活泼的气体，他误认为是氮气。英国化学家莱姆塞（Ramsay）在1895年用光谱实验证明了这种气体就是太阳上发现过的氦，从而证明了地球上也有氦存在。

氩的发现则被人们称为“小数点后第三位数的胜利”。英国物理学家瑞利（Raleigh）在测定大气中各组分的密度时，发现从空气中分离而得到的氮气，每升重1.257克，而从氮的化合物中分解得来的氮气，每升重1.251克，两个数据在小数点后第三位不相同。后来，他又多次重作实验，经准确测定，由上述两种途径得到的氮气密度总是相差千分之五左右。于是，他将这一事实刊登在《自然》杂志上，请读者解释。莱姆塞得知这一消息后，与瑞利合作进行这项探索工作。经过反复细致的实验与研究，终于在空气中发现了一种新元素，因它极不活泼，故命名为氩。

由于氦和氩的性质非常相近，而且它们与周期表中已被发现的其他元素在性质上有很大差异，莱姆塞根据周期系的规律性就设想氦和氩可能是另一族元素，并预料在它们之间还有一种尚未被发现的元素。不久，他在大量液态空气蒸发后的残余物中，首先发现了比氩重的氪（原文是“隐藏”的意思），然后又分离出氖（原文是“新奇”的意思），最后在分馏液态氩时又发现了氙（原文是“陌生”的意思）。1900年，德国科学家道恩（Dorn）在研究镭蜕变后产生的气体时，发现并证明有新元素氡（原文涵义为“放射线”）。这样，6个稀有气体元素便形成了周期表中的一个完整的新族——零族。

稀土元素的发现与离析亦值得一提。稀土元素包括钪、钇和全部镧系元素，共17个“成员”，是周期表中最大的一族。它们的化学性质极为相似，在矿物中总是共生，所以稀土元素的相互离析一直是化学中的重大难题之一。在化学史上，稀土元素的逐个辨明，经历了漫长的岁月和极其曲折的道路，留下了数十位著名化学家苦苦求索的足迹。从1794年芬兰化学家加多林（Gadolin）发现第一个稀土元素钇，到1947年美国核物理学家马林斯基（Marinsky）等人从人工铀核裂变的碎片中用离子交换法找到钷，共历时153年！

元素周期表的逐步完善

人类对客观事物的认识总是不断地向前发展的，元素周期律也不例外。当19世纪末一系列的重大发现打开了原子内部构造的大门以后，人们开始认识到，以原子量作为物质分类的基础不尽合理。1913年，英国科学家莫斯莱（Moseley）通过大量晶体X射线实验，测定了一系列元素的原子序数，指出原子核内的单位电荷数才是周期表中元素排列顺序的根本依据。当原子核模型建立以后，了解到原子序数与核外电子数有关，进一步明确了原子核外的电子决定着元素的主要化学性质。而同位素概念的提出、放射性同位素以及多种同位素的发现更加丰富了元素周期律。人们懂得了化学元素性质的周期性，是由于原子中电子壳层结构的周期性造成的。至此，元素周期律才找到了准确的科学解释。

同位素自发现以来，其应用发展十分迅速。1919年匈牙利化学家赫韦希（Hevesy）利用放射性同位素作为示踪原子，追踪其在化学过程中的踪迹，为化学反应机理和化工生产流程的研究开辟了新途径。从20世纪30年代起同位素在生物化学、植物生理学领域的应用取得了重要成果。20世纪40年代以后，在医学和农学方面也取得了广泛应用。1947年，英国化学家利比（Libby）发明了用放射性同位素14C测定年代的方法，这是一种简便且极有价值的手段，这个方法已广泛地用于测定考古、地质、地球物理和其他一些学科中的历史遗迹的年代。利比也因此而获1960年度诺贝尔化学奖。

对新元素的探索工作科学家们也一直没有停止过。到20世纪30年代，从第1号元素氢到92号元素铀所组成的元素周期表中，已填满了88个位置，但仍有43、61、85和87这几个位置的元素尚未找到。这4个元素都有放射性。

自人工核反应实现以后，人们开始用人工方法制造新的核素。1937年用人工方法找到了43号元素锝。1940年找到了85号元素砹，1939年找到了87号元素钫，1945年找到了61号元素钷。这样，铀元素前空下的位置都一一被填满了。与此同时，还用人工方法获得了92号以后的几个元素：1940年制得了93号元素镎和94号元素钚；1944—1961年间又相继合成了95号镅、96号锔、97号锫、98号锎、99号锿、100号镄、101号钔、102号锘、103号铹等共11种超铀元素。

从1969年到1974年，加利福尼亚大学伯克利分校的加速器又合成了104号、105号、106号三种新元素；原苏联的杜布纳实验室1976年宣布合成了107号元素；德国达姆施塔特的重离子研究联合会的加速器实验室于1982年宣布合成了109号元素，1984年宣布合成了108号元素，1994年11月该研究联合会合成了110号元素，一个月以后，他们又合成了111号元素。1996年2月9日，上述研究联合会的科学家阿姆布鲁斯特等人在用锌同位素轰击铅同位素的实验中，获得一个第112号元素的原子。2004年2月，一个由俄罗斯及美国科学家组成的团队宣布，他们创造出了两个称为超重元素的化学新元素113号和115号。2011年6月，由来自俄罗斯杜布纳联合核研究所和美国劳伦斯·利弗摩尔国家实验室的科学家联合发现的114号和116号新元素获得了国际纯粹与应用化学联合会（International Union of Pure and Applied Chemistry）与国际物理纯粹与应用物理学会联合会（International Union Of Pure and Applied Physics）的承认，正式成为元素周期表中的新成员。至此，人类已知的化学元素数目达到了116种。

新核素的人工合成和鉴别，也是国际科技界关注的热点之一。在人类已知的核素中，天然存在的稳定核素为270种左右，而世界各国科学家用反应堆或加速器合成的核素约有2400种。因此，不断探索新核素产生的途径，研究它们的核性质及其可能的应用前景，成了当代核物理和核化学研究的一个前沿领域，也是一个国家核科学研究水平的重要标志之一。自1934年以来，平均每年有近40种新核素填补在核素图上。近年来，我国在该领域的研究也取得了突破性进展，从而在这场“核科技”竞争中争得了一席之地。

1991年，由中国原子能科学研究院周书华研究员领导的实验小组在北京HI-13串列加速器上，通过一系列实验，观察到了新核素钌-90生成的证据。这是我国科学家首次在本土合成新核素。稍后，中科院上海原子核研究所的科技人员运用自己设计的实验装置，在国产的加速器上，生成了新核素铂-202。与此同时，从中科院兰州近代物理研究所也频频传来喜讯。该所自1988年建成重离子加速器后，便开始了新核素的合成和衰变研究。国家对此项工作非常重视，将其列为“八五”科学前沿重大项目之一，国家科委和国家自然科学基金会也给予大力支持。经过科技人员团结拼搏，从1991年以来，该所已相继合成和鉴别了汞-208、铪-185、钍-237、镤-239和铒-175等多种丰中子新核素和超铀缺中子新核素镅-235，还合成和研究了具有奇异衰变性质的新核素钆-135，把我国新核素合成和研究推进到了一个重要的新领域——质子滴线核区。迄今为止，我国科学家已经填补了核素图上的9项空白。这些成果对检验和发展原子核结构理论具有重大意义。

探索未有穷期

化学学科久盛不衰的任务是整理天然产物和耕耘元素周期系，不断发现和合成新的化合物，并弄清它们的结构和性能的关系，深入研究化学反应理论和寻找反应的最佳过程。时至今日，人类还能否进一步合成新的化学元素呢？这是科学界十分关心的一个问题。自20世纪60年代之后，许多人都在探索这个问题。近年来由于人们对原子核结构的深入研究，提出了许多核模型理论。例如，有人提出一种“幻数理论”。该理论认为，具有2、8、14、28、50、82、126个质子或中子的核特别稳定。建立在电子计算机完成的大量计算结果基础上的现代理论已经能够预先计算出超重离子和超重元素的稳定性及其在概率范围内的化学性质和物理性质。在这种计算中，出乎预料地显现了原子序数介于114和164之间的元素的高度稳定区。在这个“稳定岛”上，将出现半衰期长达10³年的同位素。另外，还预言了带112~118个电子的元素的性质，这些元素据推测可能与汞—氡系列中的元素有相似的性质。不过，合成稳定岛元素的努力至今尚未取得成功。

化学元素周期表还能不能延长？有人根据原子核模型的新理论（也包括幻数理论在内）以及现在周期表的逻辑体系，设计了一个化学元素扩展的周期表（表2-2）。此表推断到了218号元素的位置。对于这个扩展的周期表能否成立，化学界正进行着热烈讨论。目前，化学家们对元素周期律还在不断地探索与研究之中。