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)不端新聞截圖 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。

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J(rèn)INR（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,！

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