化学元素周期表即将150岁 仍在“添丁”

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2018-09-2309:08  来源:科技日报
 

“氢氦锂铍硼,碳氮氧氟氖……”看到这一串字符,中学化学课上摇头晃脑背诵化学元素周期表的场景是否又浮现在你眼前?

明年,化学元素周期表将迎来它的150周岁生日。为了给它“庆生”,联合国宣布2019年为“国际化学元素周期表年”。

日前在杭州召开的中国化学会第31届学术年会上,国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)主席周其凤院士介绍了“IUPAC百年及国际化学元素周期表年”相关活动情况。

随着“国际化学元素周期表年”的临近,与化学元素周期表相关的话题不断出现在媒体上。化学元素周期律是如何被发现的?新元素怎么才能入围元素周期表?人造元素是否该被纳入元素周期表?不断探寻新元素的意义何在?记者就此采访了业内专家。

门捷列夫的发现,是站在前人肩膀上

提到化学元素周期表,你或许很自然地联想到俄国化学家德·伊·门捷列夫。在很多书籍中,门捷列夫都被称为元素周期律的发现者和第一张元素周期表的制作者。

在《伟大发现的一天》中,该书作者苏联科学史家鲍·米·凯德洛夫利用半部书的篇幅论证,元素周期律是门捷列夫在2018-09-23这一天发现的。

对此,中国科学院大学人文学院历史系教授袁江洋认为,必须承认门捷列夫在元素系统性质与分类研究上是一位集大成者,但更应该看到,门捷列夫所做的工作也是在前人研究基础之上进行的,其他人对元素周期律的贡献也不应被忽视。

事实上,在门捷列夫制定出其周期表之前,元素周期性思想已频繁出现在化学家们的视野之中。袁江洋举例道,早在1789年出版的《化学大纲》中,法国化学家拉瓦锡就发表了历史上第一张《元素表》。在这张表中,当时已知的33种元素被分为了4类。此后,有多位化学家对元素的性质和分类开展研究。

和门捷列夫同时代的多位化学家,也对元素周期规律进行了研究。1865年,英国化学家纽兰兹在研究中发现,当元素按原子量递增的顺序排列起来时,每隔8个元素,元素的物理性质和化学性质就会重复出现。他称这一规律为“八音律”。

可以说,元素周期性思想在当时化学界来说并非秘密,关键是如何将这种未定型的、甚至被奚落的思想转化为切实的化学认识。而这点,门捷列夫做到了。“他用一张当时尽可能全面的元素表,完成了元素的系统分类工作,有效地提示元素之间的联系,并以一些准确的预言赢得了学界的认可。”袁江洋指出。

两大学会联合把控准入大门

从门捷列夫化学元素周期表诞生之初到现在,已过去了近150年。随着时间的流逝,不断有“新丁”加入到化学元素周期表中。它们中“资历最浅”的当属2016年新加入的4种元素。

2016年11月,IUPAC核准并发布了4种人工合成元素的英文名称和元素符号,分别是:2004年发现的nihonium(Nh)、2003年发现的moscovium(Mc)、2010年发现的tennessine(Ts)和2006年发现的oganesson(Og)。元素周期表中第7周期被全部填满。

紧随其后,全国科学技术名词审定委员会等机构启动了这4种新元素的中文命名工作,并于去年将4种元素分别命名为(钅尔)、镆、(石田)、(气奥)。中国原子能科学研究院张焕乔院士、蔡善钰研究员等专家参与了该项工

一个新元素被纳入化学元素周期表中不是件简单的事。张焕乔介绍,上世纪90年代初,IUPAC和国际纯粹物理学会(IUPAP)发布了一系列评估新元素的标准。一旦有机构宣称发现了新的元素,IUPAC和IUPAP成立的联合专家工作组将会对相关新元素提名候选者进行评估和审查。对批准的新元素,最后由IUPAC发布技术报告,确认哪些机构的新发现符合元素认定标准,并公布使用。

新元素的认定过程中,难免存在一些分歧和争议。张焕乔举例道,日本研究小组和美俄联合研究小组先后宣布合成了113号元素Nh。2003年,美俄联合小组以热熔合方法在合成115号元素的过程中发现了113号元素。2004年,日本以另一种冷熔合的方法也发现了113号元素。最终,日本研究小组合成的第113号元素被国际机构认定为“新元素”,并且获得了命名权。

“尽管美俄小组合成的时间更早,但他们的合成衰变链最终产物没有进入已知核区,相比之下,日本小组的合成衰变链最终产物进入了已知核区,能够明确地判断为新元素。我觉得这可能是国际机构解决命名权争端并作出判断的主要依据。”张焕乔介绍道。

113号元素是首个由亚洲科学家合成的新元素,相关工作也有中国科学家参与。然而令张焕乔感到遗憾的是,迄今为止,中国还没有在合成新元素上实现突破。

探寻新元素,支持核物理重要理论

化学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,只有少数元素是人工合成的,后者被称作“人造元素”。

你可能会问,人造元素为何也能被纳入元素周期表?中科院近代物理所研究员徐瑚珊解释道,化学元素周期表并非自然元素周期表,所以人造元素无疑能被列入表中。

蔡善钰认为这里必须提及美国著名核化学家西博格教授的卓越贡献。他发现了新合成的93号和94号元素在周期表中排列的错位现象,于1944年提出了著名的“锕系理论”。随后发表了修改的周期表,在原表下方列入了与镧系相似的第二系列——锕系,从而创新了现代元素周期表体系,并开辟了合成超钚和超锕系等一系列人造元素的道路。

合成人造元素的时间往往是漫长的, 合成的道路也并非一帆风顺。新元素合成需要投入巨大的财力, 并付出极大的努力,如提出新的方法、设计新的装置、制造新的探测器等等。一旦合成后还要被其他实验室重复并确证,最终才可能被相关国际机构认定。那么,支撑科学家们探寻新元素的动力是什么?

在蔡善钰看来, 超重元素的合成和研究有助于探索原子核质量存在的极限,最终确定化学元素周期表的边界,也是对原子核壳模型等相关理论正确与否的实际检验。因此,超重元素的合成己成为当代核物理和核化学的前沿领域和研究热点。

谈及探寻新元素的意义时,张焕乔认为,随着新元素不断被发现,未来可能会找到超重核稳定岛,为核物理领域的重要理论——壳模型理论提供新的有力支持,并开发新的双满壳核区物理。

通常,原子序数小于20的原子核叫轻核,大于80的叫重核。而一般认为104号元素以后的原子核,为超重原子核。目前发现的超重核半衰期都很短,大多在毫秒到微秒范围。按照理论预言,会存在一些很长寿命的超重原子核,它们在核素表中所占据的区域,称为超重核稳定岛。

张焕乔指出:“一旦超重核稳定岛被证明确实存在,将对物理、化学甚至天文等领域的研究产生重大影响。因此,对超重元素的研究,不仅是核物理的重大前沿领域之一,也是自然科学的一个重要基本问题。”

张焕乔认为,在合成原子序数大于115的超重核区域中,随着中子数的增加,超重核的半衰期在变长,隐含着有可能存在超重核稳定岛的趋势,使得发现超重核稳定岛的前景更加可期。(唐 婷)

(责编:时宝韫(实习生)、熊旭)

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