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宇宙中可能还有多少没有被发现的元素?

人类发现的最重的天然元素就是 92 号元素铀,后面的元素都是人工合成的。因此问题或许应该是“人类是否还能“发明”新元素?”更为准确。什么?你说这不就相当于人类在抢上帝的活?(笔者并不信教)人说要有 118 号元素,于是便有了 118 号元素。

笔者不知道最新中学教材里的元素周期表有没有更新,大家可以猜一下人类发明或者发现的最新元素是几号?(其实不用猜,下图已经给出了)对了,就是 118 号元素 Og。

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元素周期表(中国科学院近代物理研究所袁海博绘制)

填充完 118 号元素后,正好填满了元素周期表的第七行。因此一个自然而言的想法是,元素周期表的第八行存不存在?人类什么时候可以合成出超过元素周期表第七行的元素?元素周期表的尽头是哪里?

为了更准确地描述原子分类,我们这里引出核素的概念。我们知道化学元素是具有相同的核电荷数的一类原子的总称,其原子序数为 Z。同一种元素因为原子核内中子数(N)不同而形成不同的原子。比如氢元素(Z=1)有三种原子,分别是氕(N=0)、氘 (N=1)和氚 (N=2),它们互称为同位素(isotope)。核素聚焦于原子核不同种类的区分,是对原子分类更加精确的描述。核素名称的标准写法是在元素符号的左上角标注原子质量数 A=(N+Z),比如(氘)。

原子核内质子或中子可以处于不同的能态(称为核能级),能量最低的能态称为基态,其他的能态称为激发态。通常,处于激发态的原子核不稳定,会通过放射性衰变退激发回到基态或蜕变为其他种类的原子核。具有放射性的原子核构成的核素统称为放射性核素,会通过放射性衰变最终蜕变成稳定核素。到目前为止,人类一共发现了 118 种元素的超过 3300 种同位素,其核素种类包括 3340 种基态核素以及 1938 种衰变半衰期大于 100 ns 的同核异能态核素。除去天然存在的 339 种核素,其余都是人工合成的核素。这些核素可以用下图的核素表直观地表示出来。

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NUBASE2020 核素图 | 图自[1]

每一个方块都代表一种核素,图中彩色方块代表不同衰变形式或者稳定的已经发现或者发明的核素。灰色的部分就是计算机理论预测出来但是还未合成出的核素。仔细观察就可以发现,该图右上角最后一个黄色方块就是 118 号元素 Og。

因此,针对上面的问题,答案是开放的。理论上预测元素周期表可以超过第七行,但实验上还未合成出这样的核素。各国科学家,包括我国,都在争分夺秒地研究 119 号和 120 号元素,可能在不久的将来,你我都是历史的见证者。(画饼 bushi)

参考文献

  1. 罗胤芳, 颜鑫亮, 王猛, 王茜, 周小红. 核素图评述与新设计[J]. 原子核物理评论, 2023, 40(1):121-139. doi:10.11804/NuclPhysRev.40.2023018

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