元素周期表：听说我快完了？
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背元素周期表，可能是每一个初学化学的人都会经历的痛苦过程，不过就算是做化学研究的人，也未必敢说元素周期表里的元素全都认识，但这并不妨碍咱们提出这样一个专业的问题：元素周期表里的元素，有尽头吗？
一张最新的元素周期表
图片来源：libretexts.org
现实中的尽头
到你正在阅读的这一秒，第118号元素Oganesson（缩写为Og）是迄今为止人类发现的元素周期表中最靠后的元素，也是人类已合成的最重元素，它的出现是某种意义上的圆满——元素周期表的前七个周期全部补全了。
第118号元素的原子结构
图片来源：wikipedia
有意思的是，Og的第一次亮相，是以一次巨大的丑闻收场。
这事还得从1999年说起。美国劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory，LBNL）以Victor Ninov为首的15人研究团队在《物理评论快报（Physical Review Letters）》上发表论文，宣称发现了元素周期表上空缺的第118号元素，在新元素衰变中，顺手还发现了未见报道的第116号元素。
图片来源：论文截图[1]
利用实验室88英寸回旋加速器，配合新安装的伯克利充气分离器（BGS），研究团队用高能氪-86离子束轰击铅-208靶，得到的新原子核放出1个中子，成为第118号新元素（当时还未对其命名），同位素的质量数为293。
图片来源：论文截图[2]
但非常遗憾的是，包括德国GSI、日本物理化学研究所（RIKEN lab）和法国GANIL重粒子加速器国家实验室在内的全球多个权威科研机构都无法重复实验，甚至连LBNL自己都不能重复最初的结果。新元素发现的真实性受到广泛怀疑。
为搞清真相，LBNL对研究团队进行了为期1年的调查，发现实验结果中的重要参数系伪造，相关研究人员存在“学术不端”行为。先前发表的论文被撤稿，Victor Ninov也被解雇，这位老兄从此告别物理学界。
劳伦斯伯克利国家实验室宣布之前关于118号元素的实验为学术不端的新闻截图
图片来源：physicstoday.scitation.org
寻找第118号元素的第一次尝试因学术不端而失败，但这也促使全世界其他科研团队，对其进行更积极的寻找。
2002年，在俄罗斯杜布纳联合原子核研究所（Joint Institute for Nuclear Research，JINR），由俄罗斯和美国科学家组成的研究团队观察到了第118号元素的第一次真正的衰变。他们在回旋加速器里用钙-40离子轰击人造元素锎－249，并合成了118号元素。但当时观察到的新元素衰变能，与已知的212mPo的衰变能很接近，而212mPo又是聚变反应中产生的一种常见杂质，加之此时距离LBNL宣布撤稿不远，所以在发现新元素后的第一时间，研究团队很谨慎，并未着急确认这一结果。
2005年，联合团队重复了之前的实验，仍然通过衰变间接观察到了新元素的产生。2006年，这个由亚美尼亚裔俄罗斯核物理学家尤里·奥加内森（Yuri Oganessian）领导，成员包括加利福尼亚州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室科学家的联合研究团队，宣布发现第118号元素，同位素的质量数为294。
图片来源：论文截图[3]
尽管联合研究团队万分谨慎，但国际纯化学与应用化学联合会（IUPAC）显然更谨慎。五年后的2011年，IUPAC在详细评估了2006年发表的结果后得出结论，在认定数据真实的前提下，认为实验结果与已知的重核没有确信的锚定，所以不符合发现标准[4]。尽管如此，联合团队的研究人员仍然十分自信，他们认为结果为假阳性的可能性低于十万分之一。
最重元素的记录刷新，本来就是万众瞩目的事情，IUPAC略显保守的结论，似乎也在情理之中。
事情很快出现了转机。2011年，德国GSI的研究团队尝试合成第120号元素，他们用铬-54轰击人造元素锔-248，发现了疑似第118号元素的衰变信号。这次得到的新元素比较稳定，相比于美俄联合团队报道的0.7毫秒半衰期，德国团队得到的重元素，半衰期为181毫秒。
有了前后两组数据，IUPAC与国际纯物理与应用物理联合会（IUPAP）的联合工作组对新元素的发现进行核查，终于在2015年12月30日确认了第118号元素的发现，鉴于两次结果得到的是同一个元素，美俄团队先得到其294同位素，德国团队后得到295同位素，所以该发现的优先权分配给了美俄联合团队。IUPAC对此次确认结果非常自信，兴奋地宣布：元素周期表的第七周期已经完成。
图片来源：IUPAC官网截图
但当时IUPAC并没有给出第118号元素的名字，仍然使用在1979年确定的元素周期表系统占位名称——Uuo。根据IUPAC的建议，新元素的发现者/团队有权提出一个名称，经讨论同意后作为官方名称使用。
2016年3月，美俄联合团队的科学家们召开了一次电话会议，在要求尤里·奥加内森离席后，团队成员一致决定将第118号元素命名为Oganesson。这个名字显然是以奥加内森的姓氏为基础，遵照IUPAC建议的稀有气体的命名规则（除氦外的稀有气体元素均以“on”结尾）而来。2016年6月8日，IUPAC在其官网宣布，第118号元素命名为Oganesson，元素符号为Og。
图片来源：IUPAC官网截图
至此，第118号元素的发现，终于画上一个完美的句号。
理论上的尽头
众所周知，元素周期表按照质子数的多少进行排列，排位越靠后的元素，原子核中的质子数就越多，显然，不论是理论上还是实际中，质子数都不可能为无限大，一定会出现某个“边界”。
原子核里有质子和/或中子，两者依靠“强相互作用力”结合，维持了原子核的稳定结构。强相互作用力是自然界四种基本相互作用力中最强的一种，虽然强，但特点是作用距离超级短，仅有10-15米左右，近了远了都会变弱。也就是说，原子核内并不是所有核子之间都有作用力，一个核子只能跟相邻的几个核子产生作用力。
原子结构示意图
图片来源：veer图库
与之对应的，是原子核结合能，指的是核子（质子和/或中子）结合成原子核所放出的能量。结合能是使核子在10-15米限度内组成一个稳定核体系的必要因素。结合能与其核子数之比，称为比结合能。
铁是比结合能最大的元素，所以，以质量（也就是核子数量）而论，铁是银河系里，也可能是宇宙中最多的金属元素。以铁为代表的质量中等的核，比结合能最大，略轻的或略重的，比结合能都更小。对于重核来说，因为可能的同位素组合更多，所以质量数的变化可以很大，但有趣的是，比结合能的变化不大。这暗示了原子核内部作用力的一种饱和性。
虽然目前人类得到的元素“仅有”118种，但如果把同位素也计算在内的话，人类目前得到的原子核的种类则超过2000种。有人以原子核内的质子数Z做横坐标，中子数N做纵坐标，把这些原子核放上去构成核素图，就会发现自然界中的原子核（非人工合成）都沿着β稳定线分布。这就是“超重核稳定岛理论”。若这个理论为真，从曲线的走向上来看，横坐标的质子数Z也有尽头。
图片来源：论文截图[5]
如果把视野“放大”到整个原子里，随着原子序数的增大，原子核里的质子越来越多，对核外电子的吸引力也越大，这对于内层轨道的电子来说，需要的速度是惊人的。理查德·费曼根据玻尔的模型计算过，当原子核中的质子超过137个时，内层轨道电子的速度会超过真空中的光速，这显然是不可能的。而且波尔的模型没有考虑相对论效应，具有一定局限性。
还有些理论认为在质子数为173时，原子核的结合能会超过电子的不变质量对应能量的2倍，达到电子-正电子对的湮没能量，所以核外电子永远无法填满。
技术上的尽头
除了现实和理论上的尽头，技术上的门槛，可能会让元素周期表的“尽头”来得更早一些。目前许多元素都是人工合成的，但这种合成在技术上也遇到了瓶颈。
元素周期表中人工合成的元素
图片来源：wikipedia
人工合成元素已经形成了特定的套路。具体办法是选取两类原子，一类较重，一类较轻，给较轻的原子加速成束，轰击较重的原子。由于原子一般呈电中性，无法直接将其加速，所以较轻的原子首先需要离子化，然后在巨大的电场中进行加速。完成上述过程的装置叫做加速器。为了获得足够的能量，有人想到让靶子也同步高速运动起来，提高撞击的效率，于是有了对撞机。两者在外观上很相似。
想要完成这种轰击，两种“原料”的纯度必须足够高，否则得到的都是不想要的新原子核，即使合成了新原子核，其数据也会被淹没在大量杂质元素产生的无效数据中。另外，原子核体积很小，需要轰击很多次才能偶然打中。但即使幸运地打中了目标，两个粒子也未必能克服正电荷之间的库伦排斥力；即便能克服库伦斥力，也有可能会因为“力道太大”而把原子核打碎，得不到目标中融合而出的重核……总之，很难啊。
既然是撞击，就有一个概率问题。在实验中，想得到目标中的新元素，概率是非常低的。比如第113号元素Nh是通过锌-30轰击铋-83获得，整个实验持续80天，轰击次数达到1.7×1019次，最终才得到新元素。而第118号元素的合成实验，一次就要4个月，轰击1.7×1019次。2002年和2005年两轮实验下来，总共才出现3个或4个新元素的原子核——2002年1个或2个，2005年2个。感兴趣的可以自行计算这概率究竟有多低。
理论上讲，只要加速器足够牛，合成出更多的未知元素都不是问题。但事实上，合成新元素对仪器的要求非常高。按照JINR（上文中的杜布纳联合原子核研究所）负责人的说法，世界上其他装置未必能实现Og的合成，他认为自家的加速器是世界上唯一能做出这个实验的加速器。也正是因为有这份底气，JINR也早在2016年就开启了新一轮的挑战：合成第119号元素。
图片来源：JINR官网截图
如果人类还想获得更多新元素，就需要更大型加速器/对撞机设施、更强的超导磁铁、更灵敏的探测器……这自然意味着更多的时间和金钱，以及运气。
总之，就现在人类整体的装备实力而言，新元素的发现在技术上已经很接近尽头了。难怪Nature在2019年发文，说元素周期表边缘的实验属于极端的化学。
图片来源：Nature官网截图
结论
元素周期表有尽头吗？尽管目前在表上有尽头，也存在技术上的限制，但在理论上，这还是个悬而未决的问题。不过无论如何，科技总是会继续发展，探索也绝不是裹足不前的。怕什么真理无穷尽，进一寸有一寸的欢喜！
参考文献：
[1] V. Ninov, K. E. Gregorich, W. Loveland, A. Ghiorso, D. C. Hoffman, D. M. Lee, H. Nitsche, W. J. Swiatecki, U. W. Kirbach, C. A. Laue, J. L. Adams, J. B. Patin, D. A. Shaughnessy, D. A. Strellis, P. A. Wilk, Observation of Superheavy Nuclei Produced in the Reaction of 86Kr with 208Pb. Phys. Rev. Lett. 83, 1104 (1999).
[2] R. F. Service. Berkeley Crew Bags Element 118. Science. 284, 1751 (1999).
[3] Yu. Ts. Oganessian, V. K. Utyonkov, Yu. V. Lobanov, F. Sh. Abdullin, A. N. Polyakov, R. N. Sagaidak, I. V. Shirokovsky, Yu. S. Tsyganov, A. A. Voinov, G. G. Gulbekian, S. L. Bogomolov, B. N. Gikal, A. N. Mezentsev, S. Iliev, V. G. Subbotin, A. M. Sukhov, K. Subotic, V. I. Zagrebaev, G. K. Vostokin, and M. G. Itkis, K. J. Moody, J. B. Patin, D. A. Shaughnessy, M. A. Stoyer, N. J. Stoyer, P. A. Wilk, J. M. Kenneally, J. H. Landrum, J. F. Wild, and R. W. Lougheed. Synthesis of the isotopes of elements 118 and 116 in the 249Cf and 245Cm+48Ca fusion reactions. Phys Rev. C 74, 044602 (2006).
[4] R. C. Barber, P. J. Karol, H. Nakahara, E. Vardaci, E. W. Vogt. Discovery of the elements with atomic numbers greater than or equal to 113 (IUPAC Technical Report). Pure Appl. Chem. 83, 1485 (2011).
[5] 李先胤, 姚士淮, 徐辅新. β稳定线及质量抛物线曲率的分析[J]. 高能物理与核物理, 1981(05).
[6] S. Hofmann, S. Heinz, R. Mann, J. Maurer, G. Munzenberg, S. Antalic, W. Barth, L. Dahl, K. Eberhardt, R. Grzywacz, J. H. Hamilton, R. A. Henderson, J. M. Kenneally, B. Kindler, I. Kojouharov, R. Lang, B. Lommel, K. Miernik, D. Miller, K. J. Moody, K. Morita, K. Nishio, A. G. Popeko, J. B. Roberto, J. Runke, K. P. Rykaczewski, C. Scheidenberger, D. A. Shaughnessy, M. A. Stoyer, P. Thorle-Pospiech, K. Tinschert, N. Trautmann, J. Uusitalo, A. V. Yeremin. Remarks on the fission barriers of super-heavy nuclei. Eur. Phys. J. A 52, 116 (2016).
[7] Yuri Oganessian. Heaviest nuclei from 48Ca-induced reactions. J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 34, R165 (2007) .
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