摘要：在113、115、117和118号元素的名称和符号确定之后，现有的元素周期表形成了一个完整的表格。新元素的获得将开启第8周期。第8周期元素的物理和化学性质将会怎样变化？新元素是否依然遵从现有的周期律？元素周期表有无尽头？新元素合成的意义何在？文章在回顾周期表形成和发展的基础上，给出简要的讨论。

关键词：元素周期表，超重元素，原子核

中图分类号：N04；O611文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8578.2017.02.011

Periodic Table： with 118 Elements and beyond the 118th//WANG Yingxia

Abstract： With the approval of the name and symbols of element 113， 115，117 and 118， the current Periodic Table has emerged as a perfect form. The realization of new element（s） will open a new 8th raw in the Table. How about the physical and chemical properties of the new elements？ Will the changes of the new elements obey the conventional periodic law？ Whether there is an end of the Table？ And what is the significance for the exploration of the new elements？ Let us take an outlook on the formation and development of the Periodic Table and put forward the opinions on the extension of the Table.

Keywords： Periodic Table， super heavy element， atomic nucleus

收稿日期：2017-03-22

作者簡介：王颖霞（1965—），女，博士，北京大学化学与分子工程学院教授、博士生导师，研究方向为无机固体化学。通信方式：yxwang@pku.edu.cn。

2016年11月30日，国际纯粹和应用化学联合会（IUPAC）核准并发布了4个人工合成元素113、115、117和118的英文名称和元素符号：nihonium （Nh）、moscovium （Mc）、tennessine（Ts）和oganesson（Og）[1-3]。这4种元素的确认，标志着元素周期表中第7周期被全部填满。至此，1～118号元素形成了一张完整规范的元素周期表。这4个元素的中文命名工作随即启动，经过数月的公众提议、两岸协商、专家研讨和学界征询，新元素的中文名称依次定为钅尔（nǐ）、镆（mò）、石田（tián）、（ào）。新元素中文名称的确定，不仅对国内化学界、物理学界十分重要，也是关系到自然科学和全球华语世界沟通的大事。

元素周期表不仅是化学学科知识荟萃的园地，也是自然科学发展成就的集中体现。在第7周期填满之际，浏览元素周期表，回顾其形成和发展的历史，促使我们进一步思考：如何获得新元素？元素周期表有无尽头？与g轨道的引入相关，第8周期元素性质将会怎样变化？新元素是否依然遵从现有的周期律？新元素合成的意义何在？

近代元素概念的形成始于18世纪后期[4-8]。基于燃烧现象的实验研究和理论思考，1789年拉瓦锡（A.L. de Lavoisier）出版了《化学概要》一书，书中列出了包含33个元素的第一张元素汇总表，并明确指出“元素是用任何方法都不能再分解的简单物质”。尽管其中所列元素部分有误且关于元素的认识也有模糊之处，但拉瓦锡的学说彻底推翻了统治多年的燃素说，为化学学科开创了新的纪元。至今长达两个多世纪以来，周期表中的元素以平均每两年半1个的速度递增。19世纪，随着更多元素的发现及元素知识的积累，多位科学家如格梅林（Leopold Gmelin）、迈耶（Julius Lothar Meyer）、纽兰兹（John Newlands）等开始探讨元素的变化规律。众所周知，里程碑的工作是门捷列夫（Dmitri Ivanovich Mendeleev）于1869年给出的元素周期表——该周期表将当时已知的63种元素“按照原子量的大小排列起来”，发现它们“在性质上呈现出明显的周期性”。门捷列夫还预测了当时尚未发现的元素钪（Sc，类硼）、镓（Ga，类铝）和锗（Ge，类硅）的存在，因而促成了这些元素的发现。

早期元素周期表的形成和元素周期律的提出主要以实验事实为依据。20世纪，现代原子结构模型和量子力学的建立为元素周期律奠定了理论基础：原子核外电子构型的周期性排布是元素性质周期性变化的依据。2016年11月28日，IUPAC公布了最新的元素周期表，1～118号元素排出7个周期，形成18列（即18族）。根据核外价层电子构型的特点，现有周期表中的元素分为s区、p区、d区和f区。在这些元素中，可以稳定存在的最重的元素是208Pb。1937年，第一个人造新元素——锝（Tc，原子序数Z=43号）在回旋加速器中由氘核轰击Mo原子产生，开启了人工合成元素的时代[9]。锝、钷（Pm，Z=61）以及原子序数Z>83的所有元素均为放射性元素。从95号元素镅（Am）开始，均为人造元素[7]。因此，可以说，元素周期表的扩展，有赖于新元素的人工合成。

如何合成新元素？镄（Fm， Z=100）之前的元素，主要通过α粒子、H+、中子等轻核轰击较重的原子核获得；而Z>100的元素，则需要通过一个高速运动的较轻原子核（如C—Zn）轰击另一个较重的原子核使二者之间发生聚变而形成（常伴有中子的放出），例如，115号元素就是由48Ca撞击243Am而得到的[2]。确认新元素的生成，首先要求最长核素的寿命大于10-14s——这是完成原子核外电子排布所需的时间。超重核很不稳定，很快会发生衰变，因此需要给出相应核衰变反应序列的数据[2-3]。

影响原子核稳定性的主要因素是什么？随着原子核的增大，质子数目增多而导致静电斥力急剧增大，微观粒子之间距离增大也使得粒子间的强相互作用减弱，中子难以发挥协调和抑制作用，无法有效结合而促使原子核的形成。

可以实现的原子序数最大可能为多少？这是核物理与核化学的基本问题。科学家提出各种理论模型解释原子核的构造，以揭示原子核结构的奥秘，推进超重元素（super heavy elements）的发展。目前文献中讨论到的最大极限是原子序数Z=1138和质量数Z=3500，此时原子核结合能等于0[5]。“液滴模型”（liquid drop model）曾预测，随Z2/A的增大，核裂变的可能性加剧，至Z≈110，原子核即时自发裂变，难以得到大于此序数的元素。但是，111—118号元素的合成，打破了这一限制。“核泡”（nuclear bubble）模型则给出，可以扩展到Z=240。“核殼层模型”（nuclear shell model）是一个最有代表性的模型[4，10]，这一模型认为质子和中子在原子核中的分布与电子在原子核外占据不同能级轨道的排布类似，也具有不同的能级层。当核中的质子和中子的排布为闭壳层结构时，原子核可以获得额外的稳定性。存在一系列的幻数（magic numbers）：2， 8， 20， 28， 50， 82， 114，126，184等，当质子数或者中子数取这些幻数或二者均为幻数（双幻数）时，原子核具有特殊的稳定性。对自然界存在元素的分析发现，16O、20Ca、208Pb等核素的确具有较高的丰度。因此，20世纪60年代西博格（Glenn Theodore Seaborg）提出了“稳定岛”的假设[10]，认为质子数Z=114、中子数N=184的元素可能稳定存在，114号元素的发现证实了西博格的猜想。西博格预测，Z=164也许是可以实现的最后一个元素。

在考虑原子核的稳定性之外，要真正获得相应的元素，也需要考虑电子在核外排布和运动。基于电子排布和轨道能量分析，曾认为Z=137是新元素的尽头，后经修正认为Z=172是可能的临界值[4]。

暂且不拘泥于如上数据，我们直接讨论第8周期元素在周期表中可能的分布情况。简捷的处理方式是，按照传统的核外电子填充规则 （1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p→5s→4d→5p→6s→4f→5d→6p→7s→5f→6d→7p→8s→5g→6f→7d→8p…）：119和120号元素分别具有8s1和8s2的价层电子构型，随后，电子开始填入5g轨道，Z=121～138共18个元素组成“超锕系元素”（superacinides）（按照西博格最初的定义，“超锕系”有32个元素，包括18个5g元素和14个6f元素）[10]，之后是14个“6f元素（Z=139～152）”，10个“7d元素（153～162）”和6个“p区元素（Z=163～168）”，这50个元素完成第8周期。依此排布方法，可知164号元素处在p区，位于114号元素钅夫（Fl）之下。

然而，微观粒子的运动并非如此简单。如上所述，不仅要考虑原子核，也要考虑与原子核相互作用的核外电子的运动。随着原子核电荷数的增加，核外电子运动的相对论效应加剧。相对论效应不仅导致s和p轨道收缩、d和f轨道扩展，使得原子轨道能量发生变化，也导致自旋-轨道耦合作用增强，使得简并的p、d、f等轨道分裂，例如p轨道分裂为p1/2和双重兼并的p3/2，因此核外电子排布不再完全遵从传统的填充规则[4-7，10-12]。1977年有研究指出[11]，对于第8周期的前几个元素，核外电子可能的排布方式是：Z=121[Og]8s28p1/2，Z=122[Og]8s28p1/27d3/2，Z=123[Og]8s28p1/27d3/26f5/2，Z=124[Og]8s28p1/26f35/2，Z=125[Og]8s28p1/26f35/25g1/2。2011年有研究指出[12]，Z=121～172号元素核外电子的填充次序为8s<5g≤6f<7d<9s<9p1/2<8p3/2，如此，Z=164的元素应当在d区。可以看出，由于参数选择和处理方法的不同，理论计算之间存在差异。

因此，依然需要实验数据给以证实。新的超重元素的合成和研究具有更大的挑战性。获得超重元素的最有效的方法仍是核聚变。例如利用48Ca轰击254Es制备119号元素，28Fe轰击244Pu制备120号元素等。可以预见的是，超重元素的获得越来越难。那么，这样的工作意义何在？一方面，通过超重元素的合成，人类得以不断深入认识物质的微观世界，拓展科学知识；另一方面，在这样的探索过程中，也促进技术手段的发展和应用。无论是原子的获得，还是性质的研究，均为“一次一个原子”（one atom at a time）的模式。为引发核反应而改进加速器，为观察新元素形成过程中粒子和能量的变化，捕捉稍纵即逝的实验现象，需要改进探测方法并提高探测效率等，这些改进的技术和方法在其他方面也可以有更广泛的应用。总之，合成新元素的意义并不仅仅是发现新元素本身，也在于深化我们对自然的探索和领悟，并推动科学技术的发展和完善。

参考文献

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[3] Karol P J， Barber R C， Sherrill B M， et al.Discovery of the element with atomic number Z=118 completing the 7th row of the periodic table （IUPAC Technical Report） [J].Pure Appl Chem， 2016 （88）：155-160.

[4] Karol P J.The Periodic Table （continued？）： Ekafrancium Et Seq [J]. Chemistry International， 2017（39）：10-14.

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[12] Pyykk P.A suggested periodic table up to Z≤172， based on DiracFock calculations on atoms and ions[J].Phys Chem Chem Phys， 2011（13）： 161-168.