鑽石舞台

來源：「科學大院」公眾號（ID：kexuedayuan）

作者：望羲

正文共4497字，預計閱讀時間約為5分鐘

背元素周期表，可能是每一個初學化學的人都會經歷的痛苦過程，不過就算是做化學研究的人，也未必敢說元素周期表里的元素全都認識，但這並不妨礙咱們提出這樣一個專業的問題：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

到你正在閱讀的這一秒，第118號元素Oganesson（縮寫為Og）是迄今為止人類發現的元素周期表中最靠後的元素，也是人類已合成的最重元素，它的出現是某種意義上的圓滿——元素周期表的前七個周期全部補全了。

第118號元素的原子結構

圖片來源：wikipedia

有意思的是，Og的第一次亮相，是以一次巨大的醜聞收場。

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人研究團隊在《物理評論快報（Physical Review Letters）》上發表論文，宣稱發現了元素周期表上空缺的第118號元素，在新元素衰變中，順手還發現了未見報道的第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（當時還未對其命名），同位素的質量數為293。

圖片來源：論文截圖[2]

但非常遺憾的是，包括德國GSI、日本物理化學研究所（RIKEN lab）和法國GANIL重粒子加速器國家實驗室在內的全球多個權威科研機構都無法重複實驗，甚至連LBNL自己都不能重複最初的結果。新元素發現的真實性受到廣泛懷疑。

為搞清真相，LBNL對研究團隊進行了為期1年的調查，發現實驗結果中的重要參數系偽造，相關研究人員存在「學術不端」行為。先前發表的論文被撤稿，Victor Ninov也被解僱，這位老兄從此告別物理學界。

勞倫斯伯克利國家實驗室宣布之前關於118號元素的實驗為學術不端的新聞截圖

圖片來源：physicstoday.scitation.org

尋找第118號元素的第一次嘗試因學術不端而失敗，但這也促使全世界其他科研團隊，對其進行更積極的尋找。

2002年，在俄羅斯杜布納聯合原子核研究所（Joint Institute for Nuclear Research，JINR），由俄羅斯和美國科學家組成的研究團隊觀察到了第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離子轟擊人造元素鐦－249，併合成了118號元素。但當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又是聚變反應中產生的一種常見雜質，加之此時距離LBNL宣布撤稿不遠，所以在發現新元素後的第一時間，研究團隊很謹慎，並未着急確認這一結果。

2005年，聯合團隊重複了之前的實驗，仍然通過衰變間接觀察到了新元素的產生。2006年，這個由亞美尼亞裔俄羅斯核物理學家尤里·奧加內森（Yuri Oganessian）領導，成員包括加利福尼亞州勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室科學家的聯合研究團隊，宣布發現第118號元素，同位素的質量數為294。

圖片來源：論文截圖[3]

儘管聯合研究團隊萬分謹慎，但國際純化學與應用化學聯合會（IUPAC）顯然更謹慎。五年後的2011年，IUPAC在詳細評估了2006年發表的結果後得出結論，在認定數據真實的前提下，認為實驗結果與已知的重核沒有確信的錨定，所以不符合發現標準[4]。儘管如此，聯合團隊的研究人員仍然十分自信，他們認為結果為假陽性的可能性低於十萬分之一。

最重元素的記錄刷新，本來就是萬眾矚目的事情，IUPAC略顯保守的結論，似乎也在情理之中。

事情很快出現了轉機。2011年，德國GSI的研究團隊嘗試合成第120號元素，他們用鉻-54轟擊人造元素鋦-248，發現了疑似第118號元素的衰變信號。這次得到的新元素比較穩定，相比於美俄聯合團隊報道的0.7毫秒半衰期，德國團隊得到的重元素，半衰期為181毫秒。

有了前後兩組數據，IUPAC與國際純物理與應用物理聯合會（IUPAP）的聯合工作組對新元素的發現進行核查，終於在2015年12月30日確認了第118號元素的發現，鑑於兩次結果得到的是同一個元素，美俄團隊先得到其294同位素，德國團隊後得到295同位素，所以該發現的優先權分配給了美俄聯合團隊。IUPAC對此次確認結果非常自信，興奮地宣布：元素周期表的第七周期已經完成。

圖片來源：IUPAC官網截圖

但當時IUPAC並沒有給出第118號元素的名字，仍然使用在1979年確定的元素周期表系統占位名稱——Uuo。根據IUPAC的建議，新元素的發現者/團隊有權提出一個名稱，經討論同意後作為官方名稱使用。

2016年3月，美俄聯合團隊的科學家們召開了一次電話會議，在要求尤里·奧加內森離席後，團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森的姓氏為基礎，遵照IUPAC建議的稀有氣體的命名規則（除氦外的稀有氣體元素均以「on」結尾）而來。2016年6月8日，IUPAC在其官網宣布，第118號元素命名為Oganesson，元素符號為Og。

圖片來源：IUPAC官網截圖

至此，第118號元素的發現，終於畫上一個完美的句號。

眾所周知，元素周期表按照質子數的多少進行排列，排位越靠後的元素，原子核中的質子數就越多，顯然，不論是理論上還是實際中，質子數都不可能為無限大，一定會出現某個「邊界」。

原子核里有質子和/或中子，兩者依靠「強相互作用力」結合，維持了原子核的穩定結構。強相互作用力是自然界四種基本相互作用力中最強的一種，雖然強，但特點是作用距離超級短，僅有10-15米左右，近了遠了都會變弱。也就是說，原子核內並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生作用力。

原子結構示意圖

圖片來源：veer圖庫

與之對應的，是原子核結合能，指的是核子（質子和/或中子）結合成原子核所放出的能量。結合能是使核子在10-15米限度內組成一個穩定核體系的必要因素。結合能與其核子數之比，稱為比結合能。

鐵是比結合能最大的元素，所以，以質量（也就是核子數量）而論，鐵是銀河系裡，也可能是宇宙中最多的金屬元素。以鐵為代表的質量中等的核，比結合能最大，略輕的或略重的，比結合能都更小。對於重核來說，因為可能的同位素組合更多，所以質量數的變化可以很大，但有趣的是，比結合能的變化不大。這暗示了原子核內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。有人以原子核內的質子數Z做橫坐標，中子數N做縱坐標，把這些原子核放上去構成核素圖，就會發現自然界中的原子核（非人工合成）都沿着β穩定線分布。這就是「超重核穩定島理論」。若這個理論為真，從曲線的走向上來看，橫坐標的質子數Z也有盡頭。

圖片來源：論文截圖[5]

如果把視野「放大」到整個原子裡，隨着原子序數的增大，原子核里的質子越來越多，對核外電子的吸引力也越大，這對於內層軌道的電子來說，需要的速度是驚人的。理查德·費曼根據玻爾的模型計算過，當原子核中的質子超過137個時，內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，具有一定局限性。

還有些理論認為在質子數為173時，原子核的結合能會超過電子的不變質量對應能量的2倍，達到電子-正電子對的湮沒能量，所以核外電子永遠無法填滿。

除了現實和理論上的盡頭，技術上的門檻，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。由於原子一般呈電中性，無法直接將其加速，所以較輕的原子首先需要離子化，然後在巨大的電場中進行加速。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動起來，提高撞擊的效率，於是有了對撞機。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，其數據也會被淹沒在大量雜質元素產生的無效數據中。另外，原子核體積很小，需要轟擊很多次才能偶然打中。但即使幸運地打中了目標，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80天，轟擊次數達到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JINR（上文中的杜布納聯合原子核研究所）負責人的說法，世界上其他裝置未必能實現Og的合成，他認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：合成第119號元素。

圖片來源：JINR官網截圖

如果人類還想獲得更多新元素，就需要更大型加速器/對撞機設施、更強的超導磁鐵、更靈敏的探測器……這自然意味着更多的時間和金錢，以及運氣。

總之，就現在人類整體的裝備實力而言，新元素的發現在技術上已經很接近盡頭了。難怪Nature在2019年發文，說元素周期表邊緣的實驗屬於極端的化學。

圖片來源：Nature官網截圖

元素周期表有盡頭嗎？儘管目前在表上有盡頭，也存在技術上的限制，但在理論上，這還是個懸而未決的問題。不過無論如何，科技總是會繼續發展，探索也絕不是裹足不前的。怕什麼真理無窮盡，進一寸有一寸的歡喜！