2019年是聯合國“化學元素周期表國際年”（www.iypt2019.org），也是國際純粹化學和應用化學聯合會（IUPAC）成立100周年，《自然》和《科學》都推出了“元素周期表”特輯。根據特輯的介紹，該文作者（賀飛）特撰編了本文。
化學元素周期表是科學史上最重要的成就之一，它不僅體現了化學的本質，而且也體現了物理學和生物學的本質。
1869年，當德米特里·門捷列夫（Dmitri Mendeleev）發表他的第一份周期表草稿時，科學界只知道63種元素，現在有118個元素了。那么，它還會繼續擴展嗎？它到底有沒有擴展的盡頭？
1.元素周期表的誕生
在門捷列夫之前的10多年，已有許多人開始著手對元素進行排列，包括四位西歐人和一位住在美國的丹麥化學家。1869年2月，俄羅斯首都圣彼得堡大學的普通化學教授德米特里·伊萬諾維奇·門捷列夫（1834-1907）發表了他的分類，包括了當時所有已知元素。他借用三角函數的 “周期”性來表示化學元素屬性的重復。門捷列夫的這個版本在目前被科學界公認為是現代元素周期表的鼻祖。
圖：門捷列夫1869年2月的元素周期表
與門捷列夫的元素周期表相比，今天的元素周期表已大相徑庭。從門捷列夫1869年提出的“基于原子量和化學親和力的元素體系的嘗試”到如今國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）批準的“元素周期表”，不僅僅是設計上的不同，而且從根本上轉變了我們對物質的理解。現在的元素周期表，數字代表元素的原子序數，即每個原子核中質子的數量。這些帶正電的粒子決定了軌道上電子的數量，這些電子的結構又在很大程度上決定了其化學性質。
國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）網站上的元素周期表
（見：https://iupac.org/wp-content/uploads/2018/12/IUPAC_Periodic_Table-01Dec18.jpg）
19世紀，物質的原子結構學說獲得了廣泛的認同。在此基礎上，化學原子論引入定量分析的方法，使無機化學走向系統化。1803年，道爾頓將希臘思辨的原子論改造成定量的化學原子論。1811年，意大利物理學家阿伏伽德羅提出了分子的概念。
1860年9月，在德國南部城鎮卡爾斯魯舉行了由各國化學家參加的國際化學會議，這是化學史上的一次極其重要的會議，就原子量問題展開了熱烈的討論。意大利化學家斯坦尼斯勞·坎尼扎羅（Stanislao Cannizzaro）在會上散發了他1858年的論文，呼吁重視阿伏加德羅定律，自此原子-分子論最終得以確立，原子量的測定工作從此也走上了正規。隨著大量元素的發現以及原子量的精確測定，人們開始討論元素性質與原子量的變化關系，為元素周期表的誕生奠定了堅實的基礎。
門捷列夫生于西伯利亞，是家中17個兄弟姐妹的最后一個。在母親的支持下，他1850年進入圣彼得堡師范學院，以第一名的成績完成了學業，隨后他赴法國和德國深造。1860年，他在海德堡附近做博士后，碰巧參加了1860年的卡爾斯魯國際化學大會，會上坎尼扎羅的論文給門捷列夫留下了深刻的印象。次年他回國在圣彼得堡工藝學院任教，1865年被聘為圣彼得堡大學化學教授。1869年，在圣彼得堡化學協會例會上，他由于生病請人代為宣讀了他的論文“元素性質與原子量的關系”，提出了元素周期表，同時將論文副本寄給了歐洲各國的同行。1869年，德國化學家邁耶爾也于提出了他的元素周期表，只是元素數目少一些，但揭示的規律性基本上與門捷列夫相同。
門捷列夫的突出貢獻在于他不僅列出了當時已知的63種元素，而且他還根據規律和預測留下了一些空位。圖中被門捷列夫列為帶有問號原子量的三種元素：45、68和70，門捷列夫把它們命名為EKA硼、EKA鋁和EKA硅，并詳細預測了它們的化學性質。很快，發現這三種元素分別是鈧（1879年）、鎵（1876年）和鍺（1886年）。預測的成功鞏固了門捷列夫在歐洲的聲譽和他作為周期系統主要發現者的地位，一下子成為了國際知名化學家、俄羅斯的科學英雄。遺憾的是，1906年，門捷列夫以一票之差沒能獲得諾貝爾化學獎。
除了1869年發表在《化學期刊》的周期表外，門捷列夫在1868-1872年之間至少還發表了7張以上的周期表。19世紀中葉，惰性氣體、放射性、同位素、亞原子粒子和量子力學在當時都是未知的。1940年，鑭系元素（原子序數57的鑭到71的鎦）和錒系元素（原子序數89的錒到103的鐒）相繼被發現，今天的元素周期表大約是在1950年前后逐漸開始形成的。
2.元素的核合成（nucleosynthesis ）
經過一個多世紀的探測研究，天文學家已經證明了宇宙的組成隨時間而變化。根據大爆炸理論，太陽系的元素都是在宇宙大爆炸中的核合成過程中產生的。大爆炸后15分鐘，宇宙產生了第一批化學元素：氫、氦和少量的鋰，但核合成并沒有發展成更重的元素，因為膨脹的宇宙正在迅速冷卻，停止了聚變。此外，自由中子正在衰變，它因為放射性而不穩定；任何不與質子結合的原子核都會衰變成質子、電子和反中子，半衰期僅超過10分鐘。因此，只有氫和氦的混合物才能制造出第一顆恒星。
太陽系元素核合成起源（表中每種元素根據其核合成起源的相對貢獻標不同顏色，根據太陽系形成的時間尺度）
第一顆恒星在大爆炸后約1億年形成，它的形成不同于其他所有恒星。因為氣體成分反映了大爆炸核合成，所以它不含碳和氧。在早期宇宙中，金屬的缺乏及其相關的冷卻意味著氣體只能達到約100 K。大約140億年后，銀河系中2%的氫和氦已經轉變成周期表上的大量元素。宇宙組成的這種轉變是復雜化學和生物學的先決條件。這種生產新元素的過程稱為核合成。
超新星以三種方式豐富了我們的宇宙。一是其排出了在恒星生命周期中形成的核合成產物；二是激波引起的極端溫度和密度驅動了額外的核合成；三是噴射出的物質會產生額外的沖擊，加速一些粒子接近光速，形成了宇宙射線。宇宙射線的能量足以分裂較重的原子核，通過裂變又產生了新的元素。這是生成宇宙中鋰、鈹和硼的大部分的原因。
從大爆炸開始到10萬億年后，宇宙的化學成分停止了變化。
3.尋找超重元素
對超重元素的研究起源于1940年代。第一批非自然元素中的一部分是在原子彈試驗的放射性碎片中發現的，而另一些是在粒子加速器中發現的。從1950到1970年代，大部分研究是在伯克利或是在位于俄羅斯杜布納的聯合核子所(JINR)進行的。這是Oganessian領導的一個團體，其研究處于冷戰競爭的氣氛中。1980年代，德國加入了這場競賽。達姆施塔特(Darmstadt)的一個研究所，即現的赫姆霍茲重離子研究中心（GSI），制造了107到112之間的所有元素。
擴展周期表的探索還沒有結束，但它正在逐漸停止。自門捷列夫在150年前公布了他的元素周期表以來，研究人員一直在以每兩三年一次的平均速率向其添加元素。在發現了所有足夠穩定的自然存在的元素之后，研究人員開始創造他們自己的元素。現在，已經達到了元素118，oganesson(Og)。
假如你想創造出周期表中的第119號元素，也許有一個可能的方法：取幾毫克锫（berkelium），锫（BK）是一種稀有的放射性金屬，只能在專門的核反應堆中制造。用鈦(titanium)離子束轟擊樣品，加速到光速的十分之一左右。這需要非常耐心地堅持一年左右，因為每10個千萬億（quintillion）(1018)的鈦離子撞擊到berkelium靶上大約相當于一年的射束時間。即便如此，這個實驗也可能只產生119號元素的一個原子。
在這種罕見的情況下，一個鈦和一個锫原子核會碰撞并融合，它們的撞擊速度克服了它們的電排斥，創造出地球上甚至宇宙中從未見過的東西。但是新的原子將在十分之一毫秒內分裂。當它衰變時，它會發出α粒子和γ射線，這些射線會撞擊靶周圍的硅探測器，以迅速驗證119元素是否存在。
研究人員已經嘗試過這個實驗。2012年，德國的化學家們花了幾個月的時間研究它，但沒有任何發現就放棄了。日本科學家已經嘗試了光束和靶標的其它組合，他們和俄羅斯的一個團隊也在尋找元素120，但沒有運氣。他們一致認為，在120號元素之后冒險的前景很渺茫。
在停滯了近十年之后，俄羅斯莫斯科郊外的杜布納聯合核子所的弗萊羅夫核反應實驗室將于今年春天重啟尋找新元素的工作。這是一個傳奇的科學研究所，這里共有6個粒子加速器。在過去的半個世紀里，這些加速器在周期表上產生了9個新元素，包括已知的最重的5個元素，從而使元素周期表上的原子序數達到了118。
負責這項工作的科學家是85歲的物理學家尤里·奧加尼森。他自赫魯曉夫1956年簽署命令在莫斯科北的樺樹林中建立一個秘密的核實驗室以來一直在這里工作。118號元素被以他的名字命名為奧加尼森。實驗室目前已建造了一個新的價值6000萬美元的設施，名為“超重元素工廠”（SHEF），這個工廠將在今年春天開始搜尋119號、120號元素。
目前，自然界中最重的元素是鈾，原子序數92。科學家在加速器中創造新元素，通常是通過將輕原子束轟碎重原子靶實現。但是由于帶正電的原子核之間的排斥作用以及其它因素的增加，隨著原子變重，聚變（和存活）的幾率顯著降低。因此，在超重元素領域（超過104）創造新的元素需要特殊技巧。
奧加尼森在1970年代提出冷聚變技術。位于德國GSI赫姆霍茲重離子研究中心的一個團隊通過完善奧加尼森的冷聚變技術成功地制造出了107號到112號元素。2003年以來，日本Wako的RIKEN研究所的一個小組試圖用冷聚變技術制造113元素，他們將鋅（元素30）發射到鉍（83）上，在第二年得到了一個原子，在2005年得到了另一個原子。為了向世人證實這一發現，于2006年和2007年又重新進行了實驗，但沒有任何發現。2008年和2009年再次嘗試也沒有結果。直到7年后的2012年，他們才發現另一個原子。RIKEN 9年來對113號元素的追求，是在亞洲創造的第一個元素。
制造超過113號元素的技術不同，采用的是熱聚變技術，這是Flerov科學家在1990年代后期開發的。熱聚變使用更高的光束能量，這需要依賴于一種特殊的同位素和大量過量的中子，鈣-48。鈣-48是從天然鈣源中分離出來的，價格昂貴，每克25萬美元。雖然RIKEN歷經9年才找到了3個113號元素的原子，而杜布納僅用了6個月就找到114號元素的許多原子。
圖：位于Wako的Riken Nishina加速器科學中心發現了113號元素
產生接下來的幾個超重元素主要是算術問題。鈣是元素20，鈣加上镅（元素95）產生元素115。鈣加curium（96）生成元素116，依此類推。到2010年，杜布納與加利福尼亞州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室和田納西州橡樹嶺國家實驗室的科學家合作，填補了周期表的第七排，于是有了118號元素。隨后停滯不前了。因為聚變需要幾毫克靶元素，用今天的技術生產足夠的einsteinium（99號元素）來制造119號元素是不可能的。人們把希望寄托在杜布納聯合核子所的SHEF裝置上。SHEF由一個離子源和加速器組成，大約兩層樓高。它的離子源每秒發射6萬億個原子，是其它元素加速器的10到20倍。日本RIKEN的一個小組也在尋找119號元素，他們的方法是把23號元素釩發射到curium靶上。這兩個實驗室的科學家們相信，5年內將找到119號和120號元素。
超重元素的預期壽命很短，它們甚至可以在飛行中衰變而不留下痕跡，因而很難檢測。鑒于這些困難，一些科學家建議放棄加速器，而嘗試新方法，如低能核爆炸等。但是，即使科學家能克服技術挑戰，那么有多少元素可以存在？周期表能走多遠呢？
有理論預言元素周期表將在172號元素終結。根據量子力學原理，原子序數超過172以后，原子核將會吞噬電子并將其與質子融合，產生中子作為副產品。這個過程將一直持續下去，直到質子數降回到172，這樣就為原子序數提供了一個上限。
其他研究也表明元素將在172號之前終結。因為當原子核變大時，質子間的排斥力成為壓倒性。根據普遍共識，一個核必須存活至少10-14秒才能算作一個新元素。考慮到110號以上元素的脆弱性，較重的元素可能難以保持那么長的時間。
一般來說，表中同一列的元素都具有相似的化學和物理性質。但研究表明，110號以上元素所在的列與其化學行為之間的聯系似乎被打破了。例如，114號元素在室溫下的作用就像一種氣體，即使它上面的元素鉛是可以想象的最不含氣體的物質。同樣，盡管元素118落入惰性氣體列，理論預測它很容易吸引電子，這是其它惰性氣體所不具備的。這些異常現象可能是相對論效應引起的：超重核的高濃度電荷會扭曲周圍電子軌道，從而影響它們的行為和形成鍵。
近年來，隨著尋找新元素越來越困難，科學家們不再追逐新的元素，而是加深對超重元素的理解，即那些原子序數超過100的元素。研究這些元素的化學性質可以證明，最大量的元素是否遵循表中的組織原則。盡管最重的元素在不到一眨眼的時間內就衰變了，研究人員仍然希望它們能到達傳說中的“穩定島”：一個假設的元素（陸地）區域，在那里可能存在一些超重同位素——原子核中質子數相同但中子數不同的原子——能存活幾分鐘、幾天甚至更長。
4.第一個人工合成元素
在門捷列夫的周期表里，43號元素是未知的，暫時命名為“EKA錳”。 研究人員一直在尋找這個元素，到了1930年代，“EKA錳” 的空白仍然存在。1937年，卡洛·佩里爾和埃米利奧·西格終于在人工合成材料中發現了這種元素。埃米利奧·西格從加州大學伯克利分校申請要來了一塊鉬板（molybdenum）， 這塊鉬板來自勞倫斯原子加速器。在卡洛·佩里爾的幫助下，西格對金屬板進行了化學分析，用氫氧化鈉和過氧化氫煮沸樣品，提取到了未知元素——第一次得到了43號元素eka錳。原來eka錳不穩定，其放射性半衰期只有幾百萬年，在地球形成時自然存在的鍀都會在很久以前就衰變完了。
1938年11月，費米因發現鈾之外的元素而獲得諾貝爾獎。但在兩個月之后，德國奧托·哈恩(Otto Hahn)和莉斯·梅特納（Lise Meitner）領導的一個小組證明費米的發現是原子分裂的結果，可能是鋇、氪和其它元素的碎片。這意味著西格和佩里爾的EKA錳是第一種真正的合成元素。后來在1947年，這個元素的命名借用希臘語中的“人造”，稱之為“鍀”。這樣一來，門捷列夫周期表上的所有空白地方就都被填滿了。
實驗室創造了元素，為尋找超鈾元素開辟了道路。1939年，伯克利的埃德溫·麥克米蘭（Edwin McMillan）在回旋加速器中發現了一種不尋常的原子——元素93。1941年2月，Seaborg接替麥克米蘭的工作，發現了元素94。在西格的幫助下，Seaborg很快證明了他的發明是钚，一種可以用于制造原子彈的新元素。
鍀的發現第一次證明了周期表上的元素并不僅僅限于地球上已有的元素。如今這張表格擴展到118號元素了（oganesson）。新元素的出現給人類帶來了前所未有的應用。比如煙霧探測器、空間探測器的電源和人類最具破壞性的武器等。但最偉大的發現仍是鍀以及西格與西伯格發現的它的亞穩同位素，其半衰期只有6小時，是一種理想的放射性示蹤劑，在最常用的醫學放射性同位素中占80%份額。人們難以想象，這種效果最初竟然是從一塊廢金屬板上得到的。
