元素週期表在哪裡結束？

自18世紀中葉到19世紀中葉的100年中，一系列新元素隨著生產和科學實驗的大發展接連不斷地被發現，到1869年，已有63種元素為科學家們所認識。另一方面，測定原子量的工作到19世紀中葉已經有了廣泛的進展，統一的原子量被肯定下來，原子價的概念也得到明確。關於各種元素的物理及化學性質的研究成果，這時也積累得相當豐富了。然而這些材料很雜亂，缺乏系統性。面對大量的實驗材料，人們思索著：地球上究竟有多少種元素？怎樣去尋找新元素？各種元素之間是否存在著一定的內在聯絡？對這一系列問題，從19世紀初化學家們就在尋求著答案。

1829年，德國化學家德貝萊納（Johann Wolfgang Dbereiner）對當時已知的54種元素進行了系統研究，提出了“三元素組”的分類方法；1862年，法國人尚古多（Béguye de Chancourtois）提出了元素的性質就是數的變化的論點，創造了一個《螺旋圖》；接著英國人奧德林（Willidm Odling）發表了以當量為基礎的“元素表”；1864年，德國化學家邁爾的《現代化學理論》出版，他明晰地論述了化學科學的基本原理，其中也包括按原子量的順序排列元素的初步方案，並在書中列出了一個“六元素表”（此表已具備了化學元素週期表的雛形）；1865年，英國化學家紐蘭茲（John Alexander Reina New lands）把元素按原子量大小順序進行排列，他發現從任意一個元素算起，每到第8個元素，其性質相近。他把這個規律稱為“八音律”。

與此同時，俄國聖彼得堡大學化學教授門捷列夫批判地繼承和發展了前人的工作，對新掌握的資料進行比較和研究，他緊緊抓住原子量這個元素的基本特性，努力探索原子量與元素性質之間的相互關係。他將元素按原子量的大小排列起來，發現元素的性質經過一定週期呈現明顯的重複性，而每一週期元素性質的變化也顯示出一定的規律性。

經過反覆的研究和核實，他於1869年2月提出了週期律，即“按照原子量的大小排列起來的元素，在性質上顯現明顯的週期性”，並發表了他的第一個週期表。同年3月，他在《元素屬性和原子量關係》的論文中，闡述了關於元素週期律的基本論點。1871年，門捷列夫又對週期表作了重要修改，他糾正了一些元素的原子量，並在週期表（表2-1）中留出空格，預言了6個未知元素的性質。不久，當鎵、鈧和鍺先後被發現，而其性質同門捷列夫所預言的“類鋁”、“類硼”和“類矽”幾乎完全一致時，令學術界十分驚歎。至此，門捷列夫的週期律才為世人所重視，他的偉大發現才得到公認。

元素週期律的發現具有重大的科學意義和哲學意義。週期律表明，各種元素隨著原子量（後來證明是核電荷）的增加，而引起化學元素性質週期性的變化。這樣便從本質上揭示了各種化學元素之間的區別和聯絡，實現了對無機化學從感性認識到理性認識的飛躍，從廣義上來說，為人類提供了探尋自然界週期發展的鑰匙。元素週期律把原來認為是彼此孤立，各不相關的各種元素看成是有內在聯絡的統一體，表明元素性質發展變化的過程是由量變到質變的過程，這就用科學的事實證明了辯證唯物主義中的質量互變的規律，豐富了辯證唯物主義哲學的基本結論。恩格斯曾高度評價元素週期律的發現，指出：“門捷列夫不自覺地應用黑格爾的量轉化為質的規律，完成了科學上的一個勳業，這個勳業可以和勒維烈計算尚未知道的行星海王星的軌道的勳業居於同等地位。”［4］

週期表中的新“房客”

1869年門捷列夫發表他的週期表時，當時已知的元素只有63種。到了19世紀末，不僅門捷列夫預言的幾種元素已先後被發現，而且由於化學實驗的進步，已發現的元素達到70餘種，其中惰性氣體（現稱稀有氣體）元素的發現過程，堪稱元素髮現史上的趣話。

氦元素的最初發現者不是化學家而是天文學家。1868年法國天文學家詹森（Janssen）在觀察日全食時，曾在太陽光譜上看到一條與鈉的D線不在同一位置上的黃線。後來經英國天文學家洛克耶爾（J。N。Lockyer）研究發現這條新譜線並不屬於當時已知的元素，他把這種元素定名為氦，即希臘語“太陽”的意思。1888—1890年之間，美國化學家赫列布朗德（Hillebrand）用硫酸處理一種鈾礦，獲得一種不活潑的氣體，他誤認為是氮氣。英國化學家萊姆塞（Ramsay）在1895年用光譜實驗證明了這種氣體就是太陽上發現過的氦，從而證明了地球上也有氦存在。

氬的發現則被人們稱為“小數點後第三位數的勝利”。英國物理學家瑞利（Raleigh）在測定大氣中各組分的密度時，發現從空氣中分離而得到的氮氣，每升重1。257克，而從氮的化合物中分解得來的氮氣，每升重1。251克，兩個資料在小數點後第三位不相同。後來，他又多次重作實驗，經準確測定，由上述兩種途徑得到的氮氣密度總是相差千分之五左右。於是，他將這一事實刊登在《自然》雜誌上，請讀者解釋。萊姆塞得知這一訊息後，與瑞利合作進行這項探索工作。經過反覆細緻的實驗與研究，終於在空氣中發現了一種新元素，因它極不活潑，故命名為氬。

由於氦和氬的性質非常相近，而且它們與週期表中已被發現的其他元素在性質上有很大差異，萊姆塞根據週期系的規律性就設想氦和氬可能是另一族元素，並預料在它們之間還有一種尚未被發現的元素。不久，他在大量液態空氣蒸發後的殘餘物中，首先發現了比氬重的氪（原文是“隱藏”的意思），然後又分離出氖（原文是“新奇”的意思），最後在分餾液態氬時又發現了氙（原文是“陌生”的意思）。1900年，德國科學家道恩（Dorn）在研究鐳蛻變後產生的氣體時，發現並證明有新元素氡（原文涵義為“放射線”）。這樣，6個稀有氣體元素便形成了週期表中的一個完整的新族——零族。

稀土元素的發現與離析亦值得一提。稀土元素包括鈧、釔和全部鑭系元素，共17個“成員”，是週期表中最大的一族。它們的化學性質極為相似，在礦物中總是共生，所以稀土元素的相互離析一直是化學中的重大難題之一。在化學史上，稀土元素的逐個辨明，經歷了漫長的歲月和極其曲折的道路，留下了數十位著名化學家苦苦求索的足跡。從1794年芬蘭化學家加多林（Gadolin）發現第一個稀土元素釔，到1947年美國核物理學家馬林斯基（Marinsky）等人從人工鈾核裂變的碎片中用離子交換法找到鉕，共歷時153年！

元素週期表的逐步完善

人類對客觀事物的認識總是不斷地向前發展的，元素週期律也不例外。當19世紀末一系列的重大發現打開了原子內部構造的大門以後，人們開始認識到，以原子量作為物質分類的基礎不盡合理。1913年，英國科學家莫斯萊（Moseley）透過大量晶體X射線實驗，測定了一系列元素的原子序數，指出原子核內的單位電荷數才是週期表中元素排列順序的根本依據。當原子核模型建立以後，瞭解到原子序數與核外電子數有關，進一步明確了原子核外的電子決定著元素的主要化學性質。而同位素概念的提出、放射性同位素以及多種同位素的發現更加豐富了元素週期律。人們懂得了化學元素性質的週期性，是由於原子中電子殼層結構的週期性造成的。至此，元素週期律才找到了準確的科學解釋。

同位素自發現以來，其應用發展十分迅速。1919年匈牙利化學家赫韋希（Hevesy）利用放射性同位素作為示蹤原子，追蹤其在化學過程中的蹤跡，為化學反應機理和化工生產流程的研究開闢了新途徑。從20世紀30年代起同位素在生物化學、植物生理學領域的應用取得了重要成果。20世紀40年代以後，在醫學和農學方面也取得了廣泛應用。1947年，英國化學家利比（Libby）發明了用放射性同位素14C測定年代的方法，這是一種簡便且極有價值的手段，這個方法已廣泛地用於測定考古、地質、地球物理和其他一些學科中的歷史遺蹟的年代。利比也因此而獲1960年度諾貝爾化學獎。

對新元素的探索工作科學家們也一直沒有停止過。到20世紀30年代，從第1號元素氫到92號元素鈾所組成的元素週期表中，已填滿了88個位置，但仍有43、61、85和87這幾個位置的元素尚未找到。這4個元素都有放射性。

自人工核反應實現以後，人們開始用人工方法制造新的核素。1937年用人工方法找到了43號元素鎝。1940年找到了85號元素砈，1939年找到了87號元素鍅，1945年找到了61號元素鉕。這樣，鈾元素前空下的位置都一一被填滿了。與此同時，還用人工方法獲得了92號以後的幾個元素：1940年製得了93號元素錼和94號元素鈽；1944—1961年間又相繼合成了95號鋂、96號鋦、97號鉳、98號鉲、99號鑀、100號鐨、101號鍆、102號鍩、103號鐒等共11種超鈾元素。

從1969年到1974年，加利福尼亞大學伯克利分校的加速器又合成了104號、105號、106號三種新元素；原蘇聯的杜布納實驗室1976年宣佈合成了107號元素；德國達姆施塔特的重離子研究聯合會的加速器實驗室於1982年宣佈合成了109號元素，1984年宣佈合成了108號元素，1994年11月該研究聯合會合成了110號元素，一個月以後，他們又合成了111號元素。1996年2月9日，上述研究聯合會的科學家阿姆布魯斯特等人在用鋅同位素轟擊鉛同位素的實驗中，獲得一個第112號元素的原子。2004年2月，一個由俄羅斯及美國科學家組成的團隊宣佈，他們創造出了兩個稱為超重元素的化學新元素113號和115號。

2011年6月，由來自俄羅斯杜布納聯合核研究所和美國勞倫斯·利弗摩爾國家實驗室的科學家聯合發現的114號和116號新元素獲得了國際純粹與應用化學聯合會（International Union of Pure and Applied Chemistry）與國際物理純粹與應用物理學會聯合會（International Union Of Pure and Applied Physics）的承認，正式成為元素週期表中的新成員。至此，人類已知的化學元素數目達到了116種。

新核素的人工合成和鑑別，也是國際科技界關注的熱點之一。在人類已知的核素中，天然存在的穩定核素為270種左右，而世界各國科學家用反應堆或加速器合成的核素約有2400種。因此，不斷探索新核素產生的途徑，研究它們的核性質及其可能的應用前景，成了當代核物理和核化學研究的一個前沿領域，也是一個國家核科學研究水平的重要標誌之一。自1934年以來，平均每年有近40種新核素填補在核素圖上。近年來，我國在該領域的研究也取得了突破性進展，從而在這場“核科技”競爭中爭得了一席之地。

1991年，由中國原子能科學研究院周書華研究員領導的實驗小組在北京HI-13串列加速器上，透過一系列實驗，觀察到了新核素釕-90生成的證據。這是我國科學家首次在本土合成新核素。稍後，中科院上海原子核研究所的科技人員運用自己設計的實驗裝置，在國產的加速器上，生成了新核素鉑-202。與此同時，從中科院蘭州近代物理研究所也頻頻傳來喜訊。該所自1988年建成重離子加速器後，便開始了新核素的合成和衰變研究。國家對此項工作非常重視，將其列為“八五”科學前沿重大專案之一，國家科委和國家自然科學基金會也給予大力支援。經過科技人員團結拼搏，從1991年以來，該所已相繼合成和鑑別了汞-208、鉿-185、釷-237、鏷-239和鉺-175等多種豐中子新核素和超鈾缺中子新核素鋂-235，還合成和研究了具有奇異衰變性質的新核素釓-135，把我國新核素合成和研究推進到了一個重要的新領域——質子滴線核區。迄今為止，我國科學家已經填補了核素圖上的9項空白。這些成果對檢驗和發展原子核結構理論具有重大意義。

探索未有窮期

化學學科久盛不衰的任務是整理天然產物和耕耘元素週期系，不斷髮現和合成新的化合物，並弄清它們的結構和效能的關係，深入研究化學反應理論和尋找反應的最佳過程。時至今日，人類還能否進一步合成新的化學元素呢？這是科學界十分關心的一個問題。自20世紀60年代之後，許多人都在探索這個問題。近年來由於人們對原子核結構的深入研究，提出了許多核模型理論。例如，有人提出一種“幻數理論”。該理論認為，具有2、8、14、28、50、82、126個質子或中子的核特別穩定。建立在電子計算機完成的大量計算結果基礎上的現代理論已經能夠預先計算出超重離子和超重元素的穩定性及其在機率範圍內的化學性質和物理性質。在這種計算中，出乎預料地顯現了原子序數介於114和164之間的元素的高度穩定區。在這個“穩定島”上，將出現半衰期長達103年的同位素。另外，還預言了帶112~118個電子的元素的性質，這些元素據推測可能與汞—氡系列中的元素有相似的性質。不過，合成穩定島元素的努力至今尚未取得成功。

化學元素週期表還能不能延長？有人根據原子核模型的新理論（也包括幻數理論在內）以及現在週期表的邏輯體系，設計了一個化學元素擴充套件的週期表。此表推斷到了218號元素的位置。對於這個擴充套件的週期表能否成立，化學界正進行著熱烈討論。目前，化學家們對元素週期律還在不斷地探索與研究之中。