作者：蔡善鈺 (中國原子能科學(xué)研究院同位素研究所)

摘要 今年是門捷列夫周期表發(fā)表150周年。文章簡(jiǎn)要回顧了“元素周期律”發(fā)現(xiàn)和“元素周期表”創(chuàng)立這一歷史事件。著重闡述了元素周期表的三次重要拓展：“天然放射性元素”的發(fā)現(xiàn)；“人工放射性元素”(人造元素)的合成和“超重元素”的合成?，F(xiàn)今周期表中元素總量已從63種增加到118種。文章最后還探討了“超重核穩(wěn)定島”的預(yù)言和元素周期表的邊界。

關(guān)鍵詞 元素周期表，天然放射性元素，人造元素，超重元素，超重核穩(wěn)定島

元素周期律是宇宙最基本的規(guī)律之一。元素周期律的發(fā)現(xiàn)已成為科學(xué)發(fā)展史上的一座重要里程碑。門捷列夫創(chuàng)立的元素周期表至今幾乎掛在了世界上每間化學(xué)實(shí)驗(yàn)室或報(bào)告廳的墻上。恩格斯曾經(jīng)對(duì)元素周期律作出如下評(píng)價(jià)：“門捷列夫不自覺地應(yīng)用黑格爾的量轉(zhuǎn)化為質(zhì)的規(guī)律，完成了科學(xué)上的一個(gè)勛業(yè)。”

150 年來，元素周期表仍然保持著最廣泛、最持久、最深入的影響。它是現(xiàn)代科學(xué)中最富成果的思想之一。在歷史的長河中，它并沒有被現(xiàn)代物理學(xué)所淘汰或徹底改變，而是逐漸適應(yīng)和更加成熟。

千變?nèi)f化、千姿百態(tài)的物質(zhì)使世界變得琳瑯滿目、絢麗多彩。世上萬物究竟由什么組成？這個(gè)問題從遠(yuǎn)古時(shí)代起使人們感到困惑。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，社會(huì)的進(jìn)步，元素陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)，如18 世紀(jì)初，已知曉14 種元素；18 世紀(jì)末，識(shí)別出33種元素；到19 世紀(jì)中葉鑒定了60 種元素。人們這時(shí)才逐漸地認(rèn)識(shí)到：盡管大千世界紛繁無比，卻由為數(shù)不多的化學(xué)元素結(jié)合而成。

1.1 元素分類的早期探索

元素的質(zhì)量不盡相同，性質(zhì)各有差異，它們的存在和變化是雜亂無章的？還是有序可循的？一些科學(xué)家開始著手進(jìn)行元素的整理和分類研究。1789 年法國化學(xué)家拉瓦錫(A. Lavoisier)列出了一張當(dāng)時(shí)已知的33 種元素的圖表，開創(chuàng)了元素分類的先河。這樣的圖表屬于“一維”表示法。

1817 年德國化學(xué)家多勃雷納(J. Dobereiner)根據(jù)相似性把許多已知元素排成“三素組”。他注意到中間元素的性質(zhì)介于第一個(gè)元素和第三個(gè)元素之間；并證明中間元素的原子量接近于第一個(gè)成員和第三個(gè)成員的原子量的平均數(shù)。類似情況一共找到了五組。1862 年法國地質(zhì)學(xué)家夏庫特瓦(de Chancourtois)制作了元素組織體系的早期模型——螺旋圖。他在圓柱面上按原子量大小沿著與軸線方向呈45 度角的螺旋形曲線上配置元素。1865 年英國化學(xué)家紐萊茲(A. R. Newlands)又提出了“八音律”。他按原子量遞增程序?qū)⒁阎刈髁祟愃频牟糠侄S排列。發(fā)現(xiàn)從任意一種元素算起，每數(shù)到第8 種元素時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)性質(zhì)與第1 種元素相似的情況，猶如八度音階那樣。

1.2 元素周期律的偉大發(fā)現(xiàn)

俄羅斯化學(xué)家門捷列夫在前人探索的基礎(chǔ)上，根據(jù)自己積累的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)已有大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析、鑒別、歸納、綜合，把當(dāng)時(shí)已發(fā)現(xiàn)的63 種元素按一定次序排列成一張圖表時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)了一條重要的規(guī)律：元素按原子質(zhì)量由小到大排列時(shí)，其物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)出周期性的變化。換言之，元素的性質(zhì)是其原子質(zhì)量的周期函數(shù)。門捷列夫把這一規(guī)律稱作“元素周期律”，并于1869 年2 月7 日正式公布了這張圖表，即為流傳至今并得到不斷充實(shí)、更加完善、繼續(xù)拓展的“化學(xué)元素周期表”(圖1)。該表揭示了元素之間的內(nèi)在聯(lián)系，構(gòu)筑了元素自然分類的完整體系。

圖1 1869 年門捷列夫創(chuàng)立的元素周期表

1.3 對(duì)未知元素的正確預(yù)言

當(dāng)初，在這張周期表中留下了一些空位。門捷列夫以周期律為依據(jù)，預(yù)言了21 號(hào)(類硼)、31號(hào)(類鋁)和32 號(hào)(類硅)元素的物理和化學(xué)性質(zhì)。不久，它們先后被找到，并分別命名為Sc(鈧)，Ga(鎵)和Ge(鍺)，令人信服地證實(shí)了周期律的正確性。因此迅速被化學(xué)家所接受。

1.4 周期律經(jīng)受住嚴(yán)峻挑戰(zhàn)

1894—1898 年間惰性氣體Ar，Kr，Ne，Xe被接連發(fā)現(xiàn)。1900 年又從放射性礦物中鑒別出鐳射氣——Rn，使元素周期律理論受到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因?yàn)橹芷诒砩险也坏剿麄兊奈恢谩ｉT捷列夫以其睿智，巧妙地提出在周期表里可以開辟一條“走廊”(引進(jìn)一個(gè)附加的縱列)，增添一個(gè)“零族”，從而進(jìn)一步改善了周期表，也構(gòu)成了一次新的認(rèn)識(shí)飛躍，使周期律理論得到了鞏固。在周期律的指導(dǎo)和啟迪下尋找新元素的工作克服了盲目性，增加了自覺性。

這里需要提一下，元素周期律的發(fā)現(xiàn)是19 世紀(jì)科學(xué)家取得的重大突破。之后，原子模型的建立和量子理論的解釋才深刻揭示了元素周期律的本質(zhì)：元素性質(zhì)的周期性取決于核外電子層結(jié)構(gòu)的周期性，即與最外層電子的排布密切相關(guān)。

2.1 鈾和釷的放射性發(fā)現(xiàn)

鈾和釷分別于1789 年和1828 年在自然界礦物中發(fā)現(xiàn)。門捷列夫把他們排列在周期表最下和最后的位置，鈾是原子量最重的一個(gè)元素。1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線后，緊接著，貝克勒爾(H. A. Becquerel)在1896 年發(fā)現(xiàn)鈾及其化合物能使包裹在黑紙里的照相底片感光；還能將周圍空氣電離使驗(yàn)電器放電。這種神秘的永不消失的“鈾射線”引起年輕女學(xué)者瑪麗·居里(M. Curie)的濃厚興趣，她發(fā)現(xiàn)釷及其化合物也能發(fā)出這種看不見的射線，并把這種現(xiàn)象正確命名為“放射性”(該詞來源拉丁文radius，意為光線)。把具有放射特征的元素稱為“放射性元素”。

2.2 新元素釙和鐳的發(fā)現(xiàn)

強(qiáng)烈的好奇心驅(qū)使瑪麗·居里繼續(xù)檢查了很多含鈾和含釷的礦物，結(jié)果觀察到一個(gè)驚人的事實(shí)：瀝青鈾礦、銅鈾云母的放射性要比礦物中鈾和釷含量所預(yù)計(jì)的強(qiáng)得多，于是果斷地假定：這類礦物中一定含有放射性更強(qiáng)的物質(zhì)，一種未知的新元素！

這一重要的判斷促使皮埃爾·居里(P. Curie)放下手頭的晶體研究，與他的妻子共同從事分離新元素的工作。他們把組成瀝青鈾礦的各種元素按照化學(xué)組分逐一分開，然后用測(cè)量放射性的方法進(jìn)行跟蹤。經(jīng)過幾次淘汰后，搜索范圍逐步縮小。發(fā)現(xiàn)這種“反常的放射性”主要濃集在兩種組分里。一個(gè)在鉍組分里，化學(xué)性質(zhì)與鉍十分相似，1898 年7 月居里夫婦定名為“釙”。另一個(gè)在鋇組分里，化學(xué)性質(zhì)與鋇十分相似，1898 年12 月定名為“鐳”。

宣布釙和鐳的發(fā)現(xiàn)僅僅是初步的，因?yàn)楫?dāng)時(shí)科學(xué)家們難以設(shè)想僅有放射性而肉眼卻看不到的物質(zhì)實(shí)體。為了進(jìn)一步確證，必須把新元素分離出來。開始他們?cè)鴺酚^地估計(jì)，這兩種放射性元素在瀝青鈾礦里的含量不超過百分之一(實(shí)際上還不到百萬分之一)，可以想象要把這樣微量的物質(zhì)分離出來，需要付出多么艱巨的勞動(dòng)！經(jīng)過無數(shù)次研磨、溶解、過濾、結(jié)晶等繁雜的提取手段，他們處理了2 噸多瀝青鈾礦殘?jiān)?，日以繼夜地工作了整整4 年，至1902 年才制得0.1 g 純鐳(氯化鐳)。通過對(duì)鐳的相對(duì)原子質(zhì)量測(cè)定和發(fā)射光譜測(cè)量，得到了被分離出來的新元素的確鑿證據(jù)(對(duì)濃聚釙作了同樣努力，由于釙的半衰期僅為138.4天，衰變很快，積累量更少)，鐳和釙的存在終于被人們承認(rèn)了。

居里夫婦因研究天然放射性現(xiàn)象作出了杰出貢獻(xiàn)，與發(fā)現(xiàn)放射性的貝克勒爾共享1903 年諾貝爾物理學(xué)家；又由于分離鐳的成功，居里夫人再獲1911年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

2.3 其他天然放射性元素的發(fā)現(xiàn)

1899 年德比爾納(A. L. Debierne)從鈾礦石中提取出“錒”。前已提及，在1900 年從放射性礦物中鑒別出鐳射氣——氡。1917 年哈恩(O. Hahn)和梅特納(L. Meitner)也從鈾礦石殘?jiān)刑崛〕觥扮h”。1939 年彼麗(M. M. Perey)和1940 年科爾森(D. R. Corson)等先后發(fā)現(xiàn)了“鈁”和“砹”。這樣，總計(jì)發(fā)現(xiàn)了9種天然放射元素(84—92號(hào))，使周期表進(jìn)一步得到充實(shí)，更使周期表添彩增輝。

后來又發(fā)現(xiàn)在自然界中存在3 大天然放射系：釷系(4n 系)， 鈾系(4n 2 系) 和錒系(4n 3系)，起始的母體核素分別是²³²Th，²³⁸U 和²³⁵U，具有足夠長的半衰期(大于地球的年齡4.5×10⁹年)，因而在自然界中能找到它們多代子體核素的蹤跡。上述3 種核素均以生成穩(wěn)定的鉛同位數(shù)²⁰⁸Pb，²⁰⁶Pb和²⁰⁷Pb而告終。

2.4 放射性發(fā)現(xiàn)的重大意義

“放射性”和“放射性元素”的發(fā)現(xiàn)震撼了當(dāng)時(shí)的科學(xué)界，引起了人類對(duì)宇宙認(rèn)識(shí)和知識(shí)更新的一場(chǎng)偉大變革。眾多化學(xué)家和物理學(xué)家透過放射性輻射這一信息，開始向原子核內(nèi)部的微觀世界探索，他們利用釙和鐳的輻射，展開了廣泛的實(shí)驗(yàn)，取得了一系列激動(dòng)人心的重大發(fā)現(xiàn)：1919 年盧瑟福(E. Rutherford)利用釙源的α粒子轟擊氮[¹⁴N(α,p)¹⁷O]，發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子，第一次實(shí)現(xiàn)了人工核轉(zhuǎn)變；1932 年查特威克(J. Chadwick)利用釙源的α粒子轟擊鈹靶[⁹Be(α,n)¹²C]，發(fā)現(xiàn)了中子；1934 年約里奧·居里夫婦(J. Curie & I. Curie)利用釙源的α粒子轟擊鋁箔[²⁷Al(α,n)³⁰P]，首先發(fā)現(xiàn)了人工放射性；1938 年哈恩(O. Hahn)和斯特拉斯曼(F. Strassmann)使用²²²Rn—Be 中子源照射鈾獲得了鋇、鑭和鈰等周期表里的中間元素。梅特納(L. Meitner)和她的外甥弗里希(O. R. Frisch)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果作出了正確解釋，提出了鈾核發(fā)生“裂變”的概念。緊接著“鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”的實(shí)現(xiàn)，終于打開了人類利用原子能的寶庫。

“人工放射性元素”為早期稱呼，后簡(jiǎn)稱“合成元素”，俗稱“人造元素”。

3.1 鈾前人造元素的發(fā)現(xiàn)

到1925 年時(shí)，元素周期表還留下四個(gè)空位：43 號(hào)(Tc)、61 號(hào)(Pm)、85 號(hào)(At)和87 號(hào)(Fr)。它們一度被認(rèn)為是自然界中的“失蹤元素”。1932年回旋加速器的發(fā)明和1942 年原子反應(yīng)堆的建成，開辟了人工合成元素的新時(shí)代。Tc(锝)是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的在自然界不存在的人造元素，是佩里埃(C. Perrier)和塞格瑞(E. Segre)在1937 年利用氘核轟擊鉬靶獲得的。At( 砹) 是科爾森(D. R. Corson)、麥肯齊(K. R. MacKenzie)等于1940 年在加速器上用30 MeV 的氦離子轟擊鉍靶產(chǎn)生的，后來發(fā)現(xiàn)在3 種天然放射系中都有其同位素存在。Pm(钷)是1945 年由馬林斯基(J. A. Marinsky)等人在實(shí)施美國二次世界大戰(zhàn)的“钚計(jì)劃”時(shí)，在鈾的裂變產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)的。Fr(鈁)則是長期被忽略的天然錒系家屬中的一個(gè)成員。這樣鈾前人造元素實(shí)際上只有锝和钷。

3.2 超鈾元素镎和钚的發(fā)現(xiàn)

第一個(gè)超鈾元素——93 號(hào)是在進(jìn)行核裂變過程研究的部分實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。1940 年伯克利的麥克米倫(E. McMillan)在回旋加速器上試圖對(duì)中子誘發(fā)鈾裂變產(chǎn)生的兩個(gè)反沖碎片的能量進(jìn)行測(cè)量， 發(fā)現(xiàn)半衰期為2.3 天具有β 放射性的核素²³⁹U，其子體可能是93 號(hào)元素的同位素(²³⁹Np)。隨后阿伯爾森(P. H. Abelson)用化學(xué)手段經(jīng)過分離和鑒定得到了確證。1940 年12 月，西博格(G. T. Seaborg)、肯尼迪(J. W. Kennedy) 和華爾(A. C. Wahl)繼續(xù)麥克米倫的工作，試圖合成94 號(hào)元素。他們用氘核轟擊鈾(²³⁸U)和隨后產(chǎn)生的衰變獲得了質(zhì)量數(shù)為238 的94 號(hào)元素(²³⁸Pu)。因?yàn)?2 號(hào)元素(U)已用天王星命名，故93 號(hào)元素(Np)和94號(hào)元素(Pu)分別用天王星外的海王星和冥王星命名是完全順理成章的。

3.3 西博格提出的“錒系概念”

按照周期表排列，已知的4 種天然放射性元素：Ac， Th， Pa，U 依次排列在第七周期的IIIB，IVB，VB，VIB 族(B 指副族)位置上。新合成93 號(hào)Np 和94 號(hào)Pu 十分自然地應(yīng)依次排列在VIIB 族，VIIIB 族的下面。然而，示蹤量的化學(xué)試驗(yàn)表明，Np 的化學(xué)性質(zhì)根本不像Re，Pu 也根本不像Os，而更像U。

1944 年西博格總結(jié)了合成超鈾元素過程中所經(jīng)歷的失敗與成功兩方面經(jīng)驗(yàn)，提出了著名的“錒系概念”(actinide concept)。認(rèn)為可能是這些元素在周期表中發(fā)生了錯(cuò)位。并正確地?cái)嘌裕禾烊淮嬖诘闹靥烊环派湫栽睾腿斯ず铣傻某櫾貥?gòu)成了一個(gè)新的內(nèi)過渡系(5f 系)，稱作“錒系”,它們類似于稀土系列的“鑭系”(4f 系)。這個(gè)重稀土系應(yīng)退回到釷開始，也應(yīng)該有14 種元素，并以錒作為原型(早先堤出以U 作為原型)。并在“鑭系”下面增設(shè)了“錒系”。按照新概念設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，順利合成了95 號(hào)Am，96 號(hào)Cm，化學(xué)性質(zhì)分別相似于Eu，Gd，將它們依順序安排在隨后位置上十分合適；1961年103號(hào)元素鐒的順利合成，對(duì)錒系的尋找終于畫上了圓滿的句號(hào)。104 號(hào)元素和105 號(hào)元素的化學(xué)性質(zhì)研究表明，

104 號(hào)類似于IVB 族元素(Zr，Hf)，105 號(hào)類似于VB 元素族(Ta，Nb)，不屬于錒系元素。表明103 號(hào)鐒確實(shí)是錒系的最后一個(gè)成員，從而最后肯定了“錒系概念”(后來稱為“錒系理論”)。

3.4 西博格修訂的周期表

1945 年12 月西博格在美國《化學(xué)工程新聞》上發(fā)表了修訂的元素周期表，將93 號(hào)镎和94 號(hào)钚列入了與鑭系相似的第二系列——錒系中(圖2)。錒系理論的最大貢獻(xiàn)是完善并發(fā)展了現(xiàn)代元素周期表體系，具有重大的前沿研究價(jià)值。不僅為新元素合成指明了正確方問，且成功導(dǎo)致了后續(xù)錒系元素及錒系后元素合成的接連發(fā)現(xiàn)和正確鑒定。

圖2 1945 年西博格改版的元素周期表

由于西博格在超鈾元素領(lǐng)域的杰出貢獻(xiàn)，他和麥克米倫(镎的發(fā)現(xiàn)者)分享了1951 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。后來吉奧索等人發(fā)現(xiàn)的106 號(hào)元素被IUPAC冠以西博格的名字，稱為“seaborgium”，化學(xué)符號(hào)為Sg(??)。

3.5 多種形式元素周期表

自1869 年首張?jiān)刂芷诒韱柺酪詠恚乖摫戆l(fā)生較大變化的是西博格及其同事發(fā)現(xiàn)了一連串超鈾元素，開辟了錒系，并重排了周期表。之后涌現(xiàn)出上百張不同形式、不同特點(diǎn)、不同用途的元素周期表。早期使用“短式”較多，后來“長式”變得普遍，還有諸如豎式、塔式、圓形、環(huán)形、扇形、螺旋形、彈簧形、量子形式和三維(立體)周期表也紛至踏來。為了設(shè)計(jì)一幅完美的、理想的元素周期表，至今不少學(xué)者還在不斷思索、推陳出新。

4.1 “錒系后元素”合成的瓶頸

一般認(rèn)為，Z<2 的原子核稱“輕核”，Z>80的原子核稱“重核”，Z>104 的原子核稱“超重核”。在合成“超鐒元素”或稱“錒系后元素”時(shí)遇到了瓶頸，因?yàn)樵诟咄糠磻?yīng)堆中照射钚(采用²³⁹Pu 靶)經(jīng)中子級(jí)聯(lián)俘獲生成的新元素只能到100 號(hào)(鐨)，其后元素β衰變不再發(fā)生；另外，要合成Z>102 號(hào)元素也不能指望利用輕粒子引起的核反應(yīng)，因?yàn)槟壳安荒苌a(chǎn)可稱量的Z>100 號(hào)元素，僅能生產(chǎn)到99號(hào)元素(制成²⁵⁴Es靶)。

為了合成Z>102 元素，科學(xué)家們意識(shí)到必須使用較重的轟擊粒子， 以實(shí)現(xiàn)周期表上未知元素合成的“跳躍”。為此，1957 年美國勞倫斯—伯克利國家實(shí)驗(yàn)室(LBNL)建立了重離子直線加速器(HILAC)。蘇聯(lián)杜布納(Dubna)聯(lián)合核子研究所(JINR)于1964 年建成專用回旋加速器。德國在達(dá)姆施塔特(Darmstadt)現(xiàn)名為亥姆霍茲的重離子研究中心(GSI)，于1969年也建成重離子反應(yīng)產(chǎn)物分離器(SHIP)。日本理化所(RIKEN)在2000 年前后建成了直線加速器。中國科學(xué)院近代物理研究所的蘭州重離子加速器(HIRFL)在1988年建成并出束。

4.2 “熱熔合”合成104—106號(hào)元素

熱熔合方法是用較輕的重離子作彈核(¹²C—²²Ne)，與錒系元素作靶核，生成復(fù)合核，由于激發(fā)能較高(～50 MeV)，蒸發(fā)4n(n 表示中子)以上才退激發(fā)。

從1950年代到1970年代，錒系后元素的合成研究是由伯克利的吉奧索(A. Ghiorso)小組和杜布納聯(lián)合核子研究所的弗廖洛夫(G. N. Flerov)小組競(jìng)相進(jìn)行的。采用熱熔合方法，合成了104—106 號(hào)元素。其中104 號(hào)元素Rf( ??)和106 號(hào)元素Sg(?? )吉奧索小組持有發(fā)明權(quán)；105 號(hào)元素Db(??)的發(fā)明權(quán)由上述兩個(gè)小組分享。

4.3 “冷熔合”合成107—113號(hào)元素冷

熔合(cold fusion)是用較重的重離子作彈核(⁵⁴Cr，⁵⁹Fe 等)與²⁰⁸Pb，²⁰⁹Bi 作靶核生成復(fù)合核，由于激發(fā)能較低(20 MeV以下)，蒸發(fā)1n—2n，旋即退激發(fā)。

冷熔合原理是1974 年奧格涅斯揚(yáng)(Yuri. Oganessian)提出的，由于冷熔合時(shí)激發(fā)能較低，可減少來自裂變的競(jìng)爭(zhēng)，對(duì)預(yù)期生成的重元素能產(chǎn)生較高生成截面，從而開辟了一條合成重元素的新路子。107—113號(hào)元素的成功合成是“冷熔合”的應(yīng)用范例。其中6 種元素(107—112 號(hào))由德國GSI 小組合成。113 號(hào)元素則由日本理化所森田浩介(Kosuke Morita)等(中國科學(xué)家也參與了相關(guān)工作)用“冷熔合”方法于2004 年、2005 年和2012 年3 次合成，且α衰變鏈均終止于已知核素，因而獲得了命名權(quán)。

4.4 “熱熔合”合成114—118號(hào)元素

20 世紀(jì)90 年代末，由于重離子加速器的升級(jí)，物理分離技術(shù)的創(chuàng)新，射線探測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)合成超重元素的條件更加成熟。自1999 年至2010 年又采用“熱熔合”方法，用⁴⁸Ca 彈核轟擊不同的錒系靶核：²⁴⁴Pu， ²⁴³Am，²⁴⁸Cm，²⁴⁹Cf，²⁴⁹Bk，合成了114—118號(hào)元素。這樣，周期表中第七周期留下的空位終于被全部填滿。其中115 號(hào)元素由Dubna 奧格涅斯揚(yáng)小組單獨(dú)發(fā)現(xiàn)。114，116，117 和118 號(hào)元素則由Dubna 和LLNL(美國勞倫斯—列弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室)合作發(fā)現(xiàn)。

關(guān)于114 號(hào)和116 號(hào)元素的命名， 2012 年IUPAC 已宣布分別定名為Fl(??)和Lv(??)。2016年11 月30 日IUPAC又核準(zhǔn)并發(fā)布4 種最新人造元素(113，115，117 和118)的英文名稱和元素符號(hào)。緊接著，全國科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì)在向社會(huì)廣泛征集的基礎(chǔ)上，召開了新元素中文命名的專家討論會(huì)，于2017 年5 月宣布定名為Nh(鉨)、Mc(鏌)、Ts()和Og()。

5.1 “超重元素穩(wěn)定島”的預(yù)言

1965 年邁耶(W. D. Myers)等人預(yù)言在重元素鈾以外有一個(gè)“超重元素島”(Island of Superheavy Elements)。隨后斯特拉蒂斯基(V. M. Strutinsky)等人基于新發(fā)展的核結(jié)構(gòu)理論和對(duì)液滴模型的殼層修正，于1966 年進(jìn)一步揭示在114 號(hào)元素附近有一個(gè)核穩(wěn)定島。

由宏觀—微觀模型預(yù)言，在114 個(gè)質(zhì)子和184個(gè)中子附近存在一個(gè)超重元素穩(wěn)定島。按照平均場(chǎng)理論預(yù)言，在120 個(gè)質(zhì)子和172 個(gè)中子或126 個(gè)質(zhì)子和184 個(gè)中子附近存在超重元素穩(wěn)定島。目前理論上盡管尚未確定穩(wěn)定島的區(qū)域，但都預(yù)言存在著超重元素穩(wěn)定島，這就意味著可能存在一個(gè)壽命比較長的超重原子核的區(qū)域。

從以往合成的超重元素來看，所合成的超重核距離穩(wěn)定島的中心還相差7 個(gè)中子。然而從近年合成的超重核116—118 來看，隨著核內(nèi)中子數(shù)增加，半衰期在增大，這些跡象表明可能存在超重島。雖然從目前來看，用現(xiàn)有熔合反應(yīng)進(jìn)入超重島中心是有困難的，需要探尋新的途徑。

5.2 關(guān)于元素周期表邊界

新合成的超重元素半衰期大多比較短，在秒級(jí)，甚至毫秒或微秒級(jí)，而且量又少，合成超重元素的重要意義又何在呢？科學(xué)家們認(rèn)為可以探索原子核存在的極限，以最終確定元素周期表的邊界；也是對(duì)“核的殼層模型”理論的再次檢驗(yàn)。因此，超重元素的合成實(shí)驗(yàn)和理論研究已成為當(dāng)今核物理和核化學(xué)的前沿領(lǐng)域和研究熱點(diǎn)。

關(guān)于元素周期表的邊界，根據(jù)量子電動(dòng)力學(xué)，如果用點(diǎn)電荷(r=0)來推測(cè)，最重核元素的原子序數(shù)Z 是137；如果按電子有限大小(r～A^1/3)來推測(cè)，最重核的Z是172。超過該數(shù)后，由于核電荷達(dá)到足夠強(qiáng)大，將會(huì)出現(xiàn)最內(nèi)層的K層電子被原子核俘獲，引起整個(gè)電子層結(jié)構(gòu)的崩潰，這樣具有更高Z的原子就不復(fù)存在。

然而高Z元素能否存在的極限不僅取決于核外電子層的穩(wěn)定性，還要取決于原子核本身的穩(wěn)定性。根據(jù)德國法蘭克福理論組的預(yù)言，認(rèn)為目前論述的質(zhì)子數(shù)為114、中子數(shù)為184 的雙滿殼的下一個(gè)雙滿殼可能是質(zhì)子數(shù)為164、中子數(shù)為318。這些事實(shí)表明，周期表的邊界還有待進(jìn)一步探究。

自150 年前門捷列夫初創(chuàng)元素周期表時(shí)排列63 種自然元素，至30 年后天然放射性元素的發(fā)現(xiàn)(歷經(jīng)40 年)和人造元素的合成(跨越80 年)，將早期周期表的邊界從92 號(hào)元素推進(jìn)到118 號(hào)。其中人造元素總計(jì)為28 種(含280 多種放射性同位素和34 種同質(zhì)異能素)，包括鈾前元素2 種，超鈾元素26種，占元素總量的24％。

門捷列夫的元素周期律和西博格的錒系理論, 不僅為我們開辟了合成錒系及錒系后元素的道路, 而且正指引我們跨越“不穩(wěn)定海峽”，登上超重元素穩(wěn)定島。近年來一批超重核的合成更增添了科學(xué)家的信心，可以確信：一幅更加充實(shí)、更為壯觀的未來元素周期表將呈現(xiàn)于本世紀(jì)(圖3)！蘊(yùn)藏著巨大能量的超重核的陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，必將給人類帶來更大驚喜！

圖3 作者設(shè)計(jì)的新世紀(jì)元素周期表

致謝 承蒙張煥喬院士在百忙中審閱本文并提出了寶貴的修改建議，特此深表謝忱。