元素周期表中，竟然還有一個不為人知的神秘元素？

出品：科普中國

作者：Denovo

監(jiān)制：中國科普博覽

一提到化學(xué)，可能大部分人腦海里都會自動出現(xiàn)一連串令人眼花繚亂的復(fù)雜方程式，甚至“談化學(xué)色變”。其實，化學(xué)并沒有這么可怕，它距離我們的日常生活也非常近。從我們每天吸入的氧氣和呼出的二氧化碳、“多喝熱水”和泡腳養(yǎng)生，到佩戴的各種飾品、駕駛或乘坐的各種交通工具等等，都有化學(xué)的“蹤跡”?？梢哉f，物質(zhì)世界就是由化學(xué)元素所構(gòu)成的。

自1869年俄國著名化學(xué)家門捷列夫提出元素周期律以來，現(xiàn)包括天然元素及人造元素，已有記錄元素共計118個。當(dāng)科學(xué)家們反復(fù)審視這張元素周期表時，也更多地開始思考，是否存在一個神秘的0號元素呢？

從原子的結(jié)構(gòu)說起

中學(xué)時期，我們就曾經(jīng)學(xué)過，原子由原子核和核外電子組成，是化學(xué)反應(yīng)中的最小單位。其中，原子核由質(zhì)子和中子通過強(qiáng)相互作用力（質(zhì)子和中子間獨有的吸引力）結(jié)合組成。

質(zhì)子的個數(shù)直接關(guān)系到元素本身的化學(xué)性質(zhì)，原子核中的質(zhì)子個數(shù)則是區(qū)分元素種類的重要標(biāo)志。相同質(zhì)子數(shù)代表著同種元素，相同質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)的元素稱為一種核素，相同質(zhì)子數(shù)不同中子數(shù)的元素互稱為同位素。

原子結(jié)構(gòu)

（圖片來源：作者自繪）

被人熟知的1號元素——氫元素

相信大家對于元素周期表中的1號元素——氫元素，都并不陌生。在自然界中，氫元素含量豐富。人類生活必需的水，就是由氫元素和氧元素兩種元素所組成的。

在氫核素中豐度最高的是僅由一個質(zhì)子和一個核外電子組成的1H，此外再添加一個中子就得到了同位素氘2H，氘是氫彈的主要原材料。由于1H原子核中沒有中子的存在，因此當(dāng)1H原子失去核外電子時，氫離子也就等同于游離的質(zhì)子。當(dāng)大量氫離子存在于水中，水溶液便會產(chǎn)生酸性，這便是酸在水中電離的過程。

舉個例子，我們都知道的是，很多酸具有強(qiáng)腐蝕性，就算是生活中常見的調(diào)味料食醋，也可以和水垢、鐵釘?shù)劝l(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這就是質(zhì)子化學(xué)性質(zhì)最基本的體現(xiàn)。

氫氣分子示意圖

（來源：pixabay.com）

0號元素真的存在嗎？

乍聽0號元素，很多人可能會一頭霧水。化學(xué)書上寫的不是“氫氦鋰鈹硼，碳氮氧氟氖”嗎？難道是我的記憶出現(xiàn)了混亂？不用慌！其實，元素周期表里也沒有0號元素。那么，這個神秘的0號元素究竟是個啥？

元素周期表中沒有，并不代表0號元素就不存在。既然沒有中子的質(zhì)子可以單獨作為一個元素，那么沒有質(zhì)子的中子為什么不可以呢？質(zhì)子個數(shù)不同代表著元素種類的不同，那么，沒有質(zhì)子的元素，即0號元素，也被稱為中子元素。

早在20世紀(jì)初，物理學(xué)家安德羅波夫就將自由中子命名為“0號元素”，并將其置于元素周期表中起始位——氦元素的正上方，意為質(zhì)子數(shù)量最少的元素，并用符號Nu表示。

不過，除了少數(shù)討論核素或同位素的情況外，其他情況下并不將0號元素列入元素周期表內(nèi)。因此，我們在元素周期表中沒見過0號元素，也很正常。

中子星

（圖片來源：pixabay.com）

衰老的恒星促成0號元素的誕生

0號元素源于恒星的衰老過程，衰老的恒星自身坍塌時會造成極大的壓力，將氫元素核外電子壓入質(zhì)子內(nèi)部，從而形成電中性的中子粒子。其結(jié)構(gòu)并不穩(wěn)定，自由的中子半衰期只有十分鐘左右，在常壓環(huán)境下，會重新變成質(zhì)子并釋放反電子中微子。

因此，目前0號元素最主要存在于質(zhì)量極大的中子星內(nèi)部。正是這種高壓的環(huán)境，該粒子才得以穩(wěn)定存在。現(xiàn)階段在常態(tài)環(huán)境下，我們很難探索0號元素的化學(xué)性質(zhì)。

四中子系統(tǒng)

（圖片來源: www.nature.com）

雖然我們無法在常態(tài)下得到中子，但在20年前，已有科學(xué)研究表明可能存在四中子的無電荷核系統(tǒng)。不過，當(dāng)時的儀器設(shè)備誤差較大，學(xué)界內(nèi)對于該實驗結(jié)果存在較大爭議。

但是，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，近期已有報道稱，四中子的無電荷核系統(tǒng)可以存在，這也是首次獲得四中子核系統(tǒng)存在的確鑿實驗證據(jù)。目前，關(guān)于0號元素相關(guān)性質(zhì)的研究仍處于探索階段，這些研究將對于宇宙起源、亞原子結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域起到重要的推動作用。

問題來了，既然0號元素是存在的，那么會不會也存在其他元素周期表中所沒有記錄到的新元素呢？

元素周期表是否會新增元素呢？

原子核內(nèi)部復(fù)雜的相互作用是原子核穩(wěn)定存在的重要因素。根據(jù)計算，隨原子序數(shù)的不斷增加，以原子序數(shù)26的鐵元素為界限，元素穩(wěn)定性先增大后減小。也就是說，如果將所有元素排成一行的話，哪個元素距離鐵元素越遠(yuǎn)，其穩(wěn)定性就越差。

近代新元素的發(fā)現(xiàn)更多集中在原子序數(shù)大于110的超重元素，這些超重元素可以通過原子對撞的方式人工合成，具有放射性且壽命較短。2010年，117號元素被合成之后，元素周期表第七周期正式填滿。之后十余年時間，科學(xué)家在對于第八周期元素的探索道路上從未停止腳步。

然而，由于超重元素的不穩(wěn)定性，目前為止還尚未有第八周期的新元素被IUPAC承認(rèn)。不過，研究人員表示，通過對微觀粒子相互作用進(jìn)行更系統(tǒng)的研究后，相信在將來可以提出新的合成方法，以實現(xiàn)到達(dá)超重元素“穩(wěn)定島”，構(gòu)建第八周期元素。到那個時候，開辟元素周期表新紀(jì)元指日可待。

參考文獻(xiàn)：

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