化學元素周期表即將150歲 仍在“添丁”

2018年07月12日09:08  來源:科技日報
 

“氫氦鋰鈹硼,碳氮氧氟氖……”看到這一串字符,中學化學課上搖頭晃腦背誦化學元素周期表的場景是否又浮現在你眼前?

明年,化學元素周期表將迎來它的150周歲生日。為了給它“慶生”,聯合國宣布2019年為“國際化學元素周期表年”。

日前在杭州召開的中國化學會第31屆學術年會上,國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)主席周其鳳院士介紹了“IUPAC百年及國際化學元素周期表年”相關活動情況。

隨著“國際化學元素周期表年”的臨近,與化學元素周期表相關的話題不斷出現在媒體上。化學元素周期律是如何被發現的?新元素怎麼才能入圍元素周期表?人造元素是否該被納入元素周期表?不斷探尋新元素的意義何在?記者就此採訪了業內專家。

門捷列夫的發現,是站在前人肩膀上

提到化學元素周期表,你或許很自然地聯想到俄國化學家德·伊·門捷列夫。在很多書籍中,門捷列夫都被稱為元素周期律的發現者和第一張元素周期表的制作者。

在《偉大發現的一天》中,該書作者蘇聯科學史家鮑·米·凱德洛夫利用半部書的篇幅論証,元素周期律是門捷列夫在1869年2月17日這一天發現的。

對此,中國科學院大學人文學院歷史系教授袁江洋認為,必須承認門捷列夫在元素系統性質與分類研究上是一位集大成者,但更應該看到,門捷列夫所做的工作也是在前人研究基礎之上進行的,其他人對元素周期律的貢獻也不應被忽視。

事實上,在門捷列夫制定出其周期表之前,元素周期性思想已頻繁出現在化學家們的視野之中。袁江洋舉例道,早在1789年出版的《化學大綱》中,法國化學家拉瓦錫就發表了歷史上第一張《元素表》。在這張表中,當時已知的33種元素被分為了4類。此后,有多位化學家對元素的性質和分類開展研究。

和門捷列夫同時代的多位化學家,也對元素周期規律進行了研究。1865年,英國化學家紐蘭茲在研究中發現,當元素按原子量遞增的順序排列起來時,每隔8個元素,元素的物理性質和化學性質就會重復出現。他稱這一規律為“八音律”。

可以說,元素周期性思想在當時化學界來說並非秘密,關鍵是如何將這種未定型的、甚至被奚落的思想轉化為切實的化學認識。而這點,門捷列夫做到了。“他用一張當時盡可能全面的元素表,完成了元素的系統分類工作,有效地提示元素之間的聯系,並以一些准確的預言贏得了學界的認可。”袁江洋指出。

兩大學會聯合把控准入大門

從門捷列夫化學元素周期表誕生之初到現在,已過去了近150年。隨著時間的流逝,不斷有“新丁”加入到化學元素周期表中。它們中“資歷最淺”的當屬2016年新加入的4種元素。

2016年11月,IUPAC核准並發布了4種人工合成元素的英文名稱和元素符號,分別是:2004年發現的nihonium(Nh)、2003年發現的moscovium(Mc)、2010年發現的tennessine(Ts)和2006年發現的oganesson(Og)。元素周期表中第7周期被全部填滿。

緊隨其后,全國科學技術名詞審定委員會等機構啟動了這4種新元素的中文命名工作,並於去年將4種元素分別命名為(钅爾)、鏌、(石田)、(氣奧)。中國原子能科學研究院張煥喬院士、蔡善鈺研究員等專家參與了該項工

一個新元素被納入化學元素周期表中不是件簡單的事。張煥喬介紹,上世紀90年代初,IUPAC和國際純粹物理學會(IUPAP)發布了一系列評估新元素的標准。一旦有機構宣稱發現了新的元素,IUPAC和IUPAP成立的聯合專家工作組將會對相關新元素提名候選者進行評估和審查。對批准的新元素,最后由IUPAC發布技術報告,確認哪些機構的新發現符合元素認定標准,並公布使用。

新元素的認定過程中,難免存在一些分歧和爭議。張煥喬舉例道,日本研究小組和美俄聯合研究小組先后宣布合成了113號元素Nh。2003年,美俄聯合小組以熱熔合方法在合成115號元素的過程中發現了113號元素。2004年,日本以另一種冷熔合的方法也發現了113號元素。最終,日本研究小組合成的第113號元素被國際機構認定為“新元素”,並且獲得了命名權。

“盡管美俄小組合成的時間更早,但他們的合成衰變鏈最終產物沒有進入已知核區,相比之下,日本小組的合成衰變鏈最終產物進入了已知核區,能夠明確地判斷為新元素。我覺得這可能是國際機構解決命名權爭端並作出判斷的主要依據。”張煥喬介紹道。

113號元素是首個由亞洲科學家合成的新元素,相關工作也有中國科學家參與。然而令張煥喬感到遺憾的是,迄今為止,中國還沒有在合成新元素上實現突破。

探尋新元素,支持核物理重要理論

化學元素周期表上的大部分元素都是在地球上本身存在的自然元素,隻有少數元素是人工合成的,后者被稱作“人造元素”。

你可能會問,人造元素為何也能被納入元素周期表?中科院近代物理所研究員徐瑚珊解釋道,化學元素周期表並非自然元素周期表,所以人造元素無疑能被列入表中。

蔡善鈺認為這裡必須提及美國著名核化學家西博格教授的卓越貢獻。他發現了新合成的93號和94號元素在周期表中排列的錯位現象,於1944年提出了著名的“錒系理論”。隨后發表了修改的周期表,在原表下方列入了與鑭系相似的第二系列——錒系,從而創新了現代元素周期表體系,並開辟了合成超钚和超錒系等一系列人造元素的道路。

合成人造元素的時間往往是漫長的, 合成的道路也並非一帆風順。新元素合成需要投入巨大的財力, 並付出極大的努力,如提出新的方法、設計新的裝置、制造新的探測器等等。一旦合成后還要被其他實驗室重復並確証,最終才可能被相關國際機構認定。那麼,支撐科學家們探尋新元素的動力是什麼?

在蔡善鈺看來, 超重元素的合成和研究有助於探索原子核質量存在的極限,最終確定化學元素周期表的邊界,也是對原子核殼模型等相關理論正確與否的實際檢驗。因此,超重元素的合成己成為當代核物理和核化學的前沿領域和研究熱點。

談及探尋新元素的意義時,張煥喬認為,隨著新元素不斷被發現,未來可能會找到超重核穩定島,為核物理領域的重要理論——殼模型理論提供新的有力支持,並開發新的雙滿殼核區物理。

通常,原子序數小於20的原子核叫輕核,大於80的叫重核。而一般認為104號元素以后的原子核,為超重原子核。目前發現的超重核半衰期都很短,大多在毫秒到微秒范圍。按照理論預言,會存在一些很長壽命的超重原子核,它們在核素表中所佔據的區域,稱為超重核穩定島。

張煥喬指出:“一旦超重核穩定島被証明確實存在,將對物理、化學甚至天文等領域的研究產生重大影響。因此,對超重元素的研究,不僅是核物理的重大前沿領域之一,也是自然科學的一個重要基本問題。”

張煥喬認為,在合成原子序數大於115的超重核區域中,隨著中子數的增加,超重核的半衰期在變長,隱含著有可能存在超重核穩定島的趨勢,使得發現超重核穩定島的前景更加可期。(唐 婷)

(責編:時寶韞(實習生)、熊旭)

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