本期文章

重整你的元素週期表

撰文/塞利(Eric Scerri);翻譯/王心瑩    

2010年,俄羅斯的研究人員宣佈,他們率先合成出第117號元素的原子核。這種新型的原子尚未命名,因為科學界有個傳統,在真正命名為新元素之前,要等待另一方的獨立驗證。然而不會有意外了,117目前已在元素週期表上佔據不變的地位。



所有的元素,從1到116,加上118,在此之前都已經發現,因此117填補了週期表底部那一橫排的最後一個空位。這項成就代表著歷史上一個獨特時刻。門得列夫(也是俄國人)和其他人於1860年代創造出週期表時,那是科學史上首次把所有元素整理成序的偉大表格。門得列夫在他的表格上留了好幾個空格,並且做了大膽的猜測:終有一天會有人發現一些新元素能夠填補這些空格。後來又出現許多種形式的週期表,但所有的表格都有空格,直到現在,有了第117號元素,週期表第一次填補完整了。



門得列夫在天之靈很可能對自己的遠見終於實現而沾沾自喜,至少可以持續好一會兒,直到化學家和核子物理學家合成出後續的幾個元素,又需要為週期表增加新的幾個橫排、可能要預留幾個新的空位為止。



然而,即使這張拼圖的最後幾個小塊終於落定,但有些更基礎的問題開始浮現,而這會撼動週期表背後最根本的存在根基:讓週期表之所以有「週期」之名的循環模式。



門得列夫不僅預測了未知元素的存在,更引人注目的是,他正確推測出各種元素的化學性質,依據的便是這種循環模式。然而隨著原子序(原子核內的質子數)逐漸增加,有些新增的元素不再表現出週期定律所預測的性質;也就是說,它們的化學交互作用,例如與其他原子所形成的鍵結方式,變得與表中同一直欄的其他元素不一樣了。原因在於,環繞在最重原子核外圍的一些電子已達到相當於光速的層級,以物理學術語來說,它們已具有「相對論性」,使原子的化學性質變得與週期表所預期的不一樣;此外,要預測每個原子的軌域結構如何擴展排列也變得極度困難。於是,即使門得列夫創造的週期表已經填滿,看似得到成功,卻也開始失去其解釋和預測的能力。



填補完整,卻不完美



至今我們可以找到超過1000種的週期表形式,也許是元素排列方式不同,或者每一排所包含的元素不一樣,然而它們都有一項共同的基本特色。若以連續方式來排列元素,也就是根據其原子數(最早是以原子量來排列),則每每經過特定的一系列元素後,它們的化學性質就會反覆出現。舉例來說,如果從鋰(Li)開始,向前移動8個位置,就會到達鈉(Na),它與鋰擁有許多相似的性質:都是軟金屬,軟到可以用刀子切開,而且都會和水產生劇烈反應。如果繼續向前移動8個位置,到達的是鉀(K),鉀也很軟,並容易與水反應,依此類推。



在最早的週期表中,不論是門得列夫或其他人所設計,每一週期的長度(即每一橫排的長度)永遠是8個元素。然而大家很快就發現,第四和第五週期並非8個元素重複一次,而是18個;為了與之對應,週期表的第四和第五橫排會比原本表格寬得多,以便容納多出來的元素(即過渡元素,在常見的週期表中位於正中央)。結果第六週期又變得更長,包含32個元素,因為中間包含另一系列的14個元素,稱為鑭系元素。



1937年,核子物理學家開始以人工方法合成新元素,最早是鎝(Tc)。當時的週期表從1號氫(H)延續到92號鈾(U),而鎝填補了表中四個空白處之一。其他三個失落的元素也很快就補齊了,石厄(At)和金叵(Pm)這兩個是人工合成,第三個鍅(Fr)則是在自然界尋得。但即使這些空白處填補起來,新的發現又為週期表在鈾的後面增添元素,也產生新的空位


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