一種“萌新”化學(xué)元素，想“入坑”周期表？沒(méi)那么容易！

最近，中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所與合作單位的科研人員首次合成新核素鋨-160、鎢-156。我們都知道，元素是由質(zhì)子數(shù)相同的同一類(lèi)原子的總稱(chēng)，而核素是指具有一定數(shù)目質(zhì)子和一定數(shù)目中子的一種原子。此次新核素的發(fā)現(xiàn)，不由得讓人想到元素的往事。

很多人上學(xué)時(shí)都背過(guò)元素周期表，記性稍微好一點(diǎn)的很快就背下來(lái)了，可你知道你背的元素周期表之外，還有很多“版本”的元素周期表嗎？你又是否知道，一種“萌新”化學(xué)元素，想“入坑”元素周期表又有多難？本文帶你走進(jìn)元素周期表的冷門(mén)知識(shí)。

元素周期表（圖庫(kù)版權(quán)圖片，轉(zhuǎn)載使用可能引發(fā)版權(quán)糾紛）

01 元素周期表的創(chuàng)制

1869年3月初的一天，在俄羅斯化學(xué)協(xié)會(huì)的會(huì)議上，門(mén)捷列夫委托《俄羅斯化學(xué)學(xué)會(huì)志》的主編門(mén)舒特金宣讀了他新寫(xiě)的論文《元素性質(zhì)和原子量的關(guān)系》，而他本人則從按原定計(jì)劃，按照自由經(jīng)濟(jì)協(xié)會(huì)委托他任務(wù)，離開(kāi)彼得堡到外省繼續(xù)考察干酪制造廠(chǎng)去了。

這看似平平無(wú)奇按部就班的日子，實(shí)則卻宣告了一項(xiàng)偉大科學(xué)發(fā)現(xiàn)——元素周期律的誕生。

化學(xué)天才門(mén)捷列夫與元素周期表（圖庫(kù)版權(quán)圖片，轉(zhuǎn)載使用可能引發(fā)版權(quán)糾紛）

從現(xiàn)代觀(guān)點(diǎn)看來(lái)，門(mén)捷列夫關(guān)于元素的性質(zhì)周期地隨著它們的原子量而改變的說(shuō)法是有問(wèn)題的。盡管在后來(lái)，原子中存在電子、礦物中存在放射性元素等令人激動(dòng)的現(xiàn)象陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)，門(mén)捷列夫卻并未受此激勵(lì)而進(jìn)一步優(yōu)化他的周期表——這也是一些科學(xué)家受到年齡影響而逐漸失去創(chuàng)造力的普遍現(xiàn)象。而后人為了研究元素的各類(lèi)屬性的演變，創(chuàng)制了很多有趣的元素周期表。

斯托尼的圓形螺線(xiàn)周期表（來(lái)源：參考文獻(xiàn)【2】）

哈金斯和霍爾的圓柱式周期表（來(lái)源：參考文獻(xiàn)【3】）

例如,斯托尼于1888年發(fā)表了圓形螺線(xiàn)周期表，可以表示元素的相對(duì)原子量等于其半徑與變角的函數(shù)。再比如，三維式周期表曾為許多人所提倡，其中最有意義的恐怕要數(shù)哈金斯和霍爾于1916年提出的圓柱式周期表。他們?cè)O(shè)計(jì)了兩個(gè)同軸圓柱。主族元素位于外圓柱上，而副族元素則位于內(nèi)圓柱上以示它們是過(guò)渡元素。

除了在圓柱底部標(biāo)記族數(shù)外，周期表還在豎直方向以原子量作標(biāo)尺，這樣不僅可在圖上顯示元素的周期和族數(shù)，還可把各元素的同位素也一并列出。他們就將當(dāng)時(shí)已知的放射性同位素也在圖中列出。元素周期表的形式不下百種，其中有些還把原子容積、能級(jí)、電負(fù)性等性質(zhì)融入周期表的。

以至于在2023年，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予“量子點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)與合成”的時(shí)候，也有人說(shuō)元素周期表從此擁有第三個(gè)維度。這恐怕也是除了原子核外電子層數(shù)以及外層電子數(shù)之外，把納米的尺度也考慮到元素性質(zhì)的一種說(shuō)法。而實(shí)際上，我們可以看到，元素周期表的維度何止3個(gè)！

2023年榮獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的Moungi G. Bawendi、Louis E. Brus和Alexei I. Ekimov（來(lái)源：諾貝爾獎(jiǎng)官網(wǎng)）

在所有這些“版本”的元素周期表中，由丹麥化學(xué)家朱利葉斯·湯姆森在1885年提出的，并被玻爾于1920年代初優(yōu)化的塔式元素周期表曾經(jīng)取得了不錯(cuò)的成果。

02 玻爾的周期表——72號(hào)元素的爭(zhēng)奪戰(zhàn)

自從玻爾在1913年提出原子結(jié)構(gòu)理論以后，就一直有解釋元素周期系的理想。

塔式元素周期表（來(lái)源：參考文獻(xiàn)【3】）

第72號(hào)元素的發(fā)現(xiàn)，是玻爾元素周期系理論取得成功的一個(gè)著名例子。1911年法國(guó)科學(xué)家烏爾班宣布發(fā)現(xiàn)了第72號(hào)元素，認(rèn)為其屬于稀土元素，并給它起名為“鋸”（Celtium）。

1922年5月，法國(guó)人道維列宣布了更加“可靠”的結(jié)果，據(jù)說(shuō)從樣品中找到了極其微弱的譜線(xiàn)，可以證明這兩條譜線(xiàn)是來(lái)自于稀土元素的“鋸”。烏爾班在一篇文章中得意地宣稱(chēng)：“鋸已經(jīng)結(jié)論性地在化學(xué)元素中贏得了自己的地位。”

玻爾的老師盧瑟福在《自然》雜志上發(fā)表了一篇短文，承認(rèn)了烏爾班等人的結(jié)果。

烏爾班和道維列把第72號(hào)元素當(dāng)成是稀土元素，并且在稀土中尋找它。這和玻爾的元素周期系理論相矛盾，按照玻爾的理論，第72號(hào)元素應(yīng)該和第40號(hào)元素鋯核外電子排列相似，所以具有相似的化學(xué)性質(zhì)，并不屬于稀土元素。

鉿的原子結(jié)構(gòu)（圖庫(kù)版權(quán)圖片，轉(zhuǎn)載使用可能引發(fā)版權(quán)糾紛）

同時(shí)，道維列的工作也引起了其他人的質(zhì)疑，有人說(shuō)根本沒(méi)有看到鋸的譜線(xiàn)。道維列給出了讓人無(wú)語(yǔ)的回答：“是的，這是可能的，因?yàn)榻裉觳皇且粋€(gè)晴天！”不久后，事件就迎來(lái)了反轉(zhuǎn)。瑞典化學(xué)家赫維西和荷蘭物理學(xué)家科斯特在挪威和格陵蘭所產(chǎn)的鋯石中發(fā)現(xiàn)了真正的第72號(hào)元素，并命名為鉿（hafnium），從而證實(shí)了玻爾的看法。

后來(lái)，科斯特等人又進(jìn)行了艱苦的工作，直至分離出了第72號(hào)元素。正如玻爾所指出的，第72號(hào)元素之所以遲遲未被發(fā)現(xiàn)，不是因?yàn)樗谀承悠分泻刻?，而是由于它在性質(zhì)上和鋯元素太相似。

作為權(quán)威仲裁人的盧瑟福，很快又承認(rèn)了科斯特等人的優(yōu)先權(quán)，這場(chǎng)關(guān)于72號(hào)元素的爭(zhēng)奪戰(zhàn)才告結(jié)束。

03 新元素的命名——競(jìng)爭(zhēng)與規(guī)則

72號(hào)元素的故事，只是元素發(fā)現(xiàn)與命名史的一個(gè)縮影。盡管1947年在倫敦舉行的國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）會(huì)議，初步規(guī)定了元素的命名應(yīng)該遵循的規(guī)則。但有時(shí)候，這樣的競(jìng)爭(zhēng)竟然會(huì)上升到國(guó)家的層面。

在1960年代，美國(guó)和蘇聯(lián)分別發(fā)現(xiàn)了104號(hào)元素。由于雙方發(fā)現(xiàn)的先后次序不清，兩國(guó)科學(xué)家對(duì)其命名產(chǎn)生了爭(zhēng)議；直到1997年IUPAC才將其命名為??（rutherfordium）。

??的原子結(jié)構(gòu)（圖庫(kù)版權(quán)圖片，轉(zhuǎn)載使用可能引發(fā)版權(quán)糾紛）

到現(xiàn)在，新元素的確認(rèn)和命名已經(jīng)有了一套相對(duì)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牧鞒獭４笾氯缦拢?/p>

首先需要確認(rèn)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)先權(quán)。IUPAC與國(guó)際理論和應(yīng)用物理學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPA）會(huì)組成聯(lián)合工作組（JWP），要求實(shí)驗(yàn)室給出發(fā)現(xiàn)元素的相關(guān)支持文件，并對(duì)這些文件包含的數(shù)據(jù)進(jìn)行審查。

這是一個(gè)慎重的過(guò)程。例如，在審查第110號(hào)元素時(shí)，JWP對(duì)德國(guó)Hofmann等人的數(shù)據(jù)認(rèn)為是令人放心的，由此評(píng)估：元素110已被此次合作發(fā)現(xiàn)。而對(duì)美國(guó)實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)，JWP評(píng)論認(rèn)為尚不能滿(mǎn)足要求。

審核完優(yōu)先權(quán)之后，JWP會(huì)告知發(fā)現(xiàn)者和IUPAC無(wú)機(jī)化學(xué)部門(mén)。在收到JWP的報(bào)告后兩個(gè)月內(nèi)IUPAC無(wú)機(jī)部門(mén)將邀請(qǐng)發(fā)現(xiàn)者提出一個(gè)名稱(chēng)和符號(hào)供考慮。提案必須附上選擇的理由。元素的名稱(chēng)一般取自神話(huà)概念或人物（包括天文物體）， 礦物或類(lèi)似物質(zhì)，一個(gè)地方或地理區(qū)域，元素的屬性，科學(xué)家等。 舉例來(lái)說(shuō)， 105 號(hào)元素為 dubnium，化學(xué)符號(hào)為 Db（??）是以俄羅斯杜布納聯(lián)合核研究所 Dubna 為該元素命名。106 號(hào)元素為 seaborgium，化學(xué)符號(hào)為 Sg （??），這是以化學(xué)家格倫·西博格( Seaborg G．T．) 的名字來(lái)命名的。107號(hào)元素為 bohrium，化學(xué)符號(hào)為Bh（??），這是玻爾的名字來(lái)命名的。

無(wú)機(jī)化學(xué)部門(mén)會(huì)檢查提議的名稱(chēng)和符號(hào)的適用性，如果滿(mǎn)意，將會(huì)把臨時(shí)建議書(shū)發(fā)送給15名專(zhuān)家、其他相關(guān)委員會(huì)的官員、跨部門(mén)委員會(huì)，并把信息發(fā)布在IUPAC網(wǎng)站上供感興趣的個(gè)人查閱；還將征求IUPAP的意見(jiàn)。如果出現(xiàn)異議，無(wú)機(jī)化學(xué)部門(mén)將與相關(guān)實(shí)驗(yàn)室將想辦法去更改或替代原有名稱(chēng)。

當(dāng)這些流程完成后，新元素名稱(chēng)的最終建議，將由《純粹與應(yīng)用化學(xué)》的聯(lián)合出版。

由此可見(jiàn)，我們朗朗上口的元素周期表口訣，背后經(jīng)歷了多少科學(xué)家的艱辛、勞苦和汗水，正是這種精神，推動(dòng)著人類(lèi)探索化學(xué)世界的步伐不斷前進(jìn)！

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作者：黃曉東 中國(guó)科普作家協(xié)會(huì)會(huì)員、畢業(yè)于南京師范大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專(zhuān)業(yè)

審核：王洪鵬 中國(guó)科學(xué)技術(shù)館副研究員

出品：科普中國(guó)

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