是否還有元素周期表上沒有的元素呢？

門捷列夫原子量對(duì)已知元素進(jìn)行排列，并注意到隨著原子量的增加，化學(xué)性質(zhì)會(huì)周期性地重復(fù)出現(xiàn)。我們現(xiàn)在知道，化學(xué)性質(zhì)取決于價(jià)電子的數(shù)量。每向原子核添加一個(gè)質(zhì)子，價(jià)電子就會(huì)增加一個(gè)，直到電子層被填滿。盡管他不了解質(zhì)子，但門捷列夫確實(shí)注意到了他的元素周期表中的空白。他正確地將這些空白解釋為尚未發(fā)現(xiàn)的四種元素，甚至能夠預(yù)測它們的許多屬性。

隨著時(shí)間的推移，這些元素中的三種被發(fā)現(xiàn)了：鈧、鎵和鍺。但是仍然缺少一種元素，就在鉬和釕之間，我們發(fā)現(xiàn)它必具有43個(gè)質(zhì)子的原子核。七十年來，化學(xué)家一直在尋找43號(hào)元素，但在自然界中無處可尋。但它最終被發(fā)現(xiàn)了，但不是在自然界中。

1937年，意大利物理學(xué)家Emilio Segrè得到了一些鉬箔，這些鉬箔曾是歐內(nèi)斯特·勞倫斯新發(fā)明的回旋加速器的一部分。箔在加速器中呈現(xiàn)放射性，Segrè 和他的Carlo Perrier能夠證明，一些鉬獲得了質(zhì)子轉(zhuǎn)化為43號(hào)元素。他們以希臘語“藝術(shù)”一詞命名新元素為Technetium，中文名為锝。它是一種銀灰色金屬，化學(xué)性質(zhì)介于錳和釕之間，元素周期表中位于錳之下和釕之上。

那么，當(dāng)所有其他元素都可以在自然界中找到時(shí)，為什么我們必須人工生產(chǎn)锝呢？實(shí)際上锝也可以在自然界中產(chǎn)生，它是在超新星爆炸中形成的。但锝非常不穩(wěn)定，以至于當(dāng)?shù)厍驈乃佬堑乃樾贾械玫讲牧蠒r(shí)，所有的锝早已消失。

元素可能不穩(wěn)定的想法的一個(gè)更常見的術(shù)語是放射性，我們傾向于將其與鈾和钚等非常重的元素聯(lián)系起來。但實(shí)際上元素周期表上的任何元素都可能不穩(wěn)定。更準(zhǔn)確地說，元素周期表上的每個(gè)元素都有不穩(wěn)定的同位素。“同位素”是指具有不同中子數(shù)量的同一元素的不同版本。

例如，一個(gè)碳原子的原子核中有6個(gè)質(zhì)子。碳-12有6個(gè)中子，它非常穩(wěn)定。而碳-14有8個(gè)中子，它非常不穩(wěn)定，它有一個(gè)多余的中子在放出電子和中微子后轉(zhuǎn)變成質(zhì)子，從而將其轉(zhuǎn)變?yōu)榈?。每種元素都有不穩(wěn)定的同位素，有些元素只有不穩(wěn)定的同位素，較大的原子序數(shù)往往會(huì)產(chǎn)生較少的穩(wěn)定同位素和較短的半衰期。具有超過118個(gè)質(zhì)子的元素衰變得如此之快，以至于我們從未在實(shí)驗(yàn)室中檢測。

事實(shí)上，穩(wěn)定性取決于原子核中質(zhì)子和中子之間的平衡。你可能會(huì)認(rèn)為，經(jīng)過一個(gè)半世紀(jì)的核物理學(xué)思考，我們已經(jīng)弄清楚了所有這些規(guī)則。但實(shí)際上原子核的動(dòng)力學(xué)是如此復(fù)雜，以至于需要復(fù)雜的計(jì)算機(jī)建模才能理解，然而許多謎團(tuán)仍然存在。

原子核是極端力量處于微妙平衡的地方。一方面，我們有電磁力試圖將所有帶正電的質(zhì)子分開，并且由于質(zhì)子的距離很近，所以這種排斥力很大。另一方面，我們有更強(qiáng)大的核力將核子聚集在一起，它涉及在核子之間發(fā)送虛夸克包——介子。但重要的是要知道強(qiáng)力是短程效應(yīng)，如果原子核變得太大，強(qiáng)力就無法將其保持在一起，各種類型的核衰變就不可避免。

強(qiáng)力雖然很強(qiáng)大，但在真正起作用的短短距離內(nèi)，力量卻沒有太大的變化。然而，兩個(gè)電荷越接近，電磁力就會(huì)越強(qiáng)。這意味著如果質(zhì)子靠得太近，電磁力可以壓倒強(qiáng)力，這是破壞原子核穩(wěn)定性的另一種方式。這就是中子起作用的原因，它們有助于隔開質(zhì)子，從而使強(qiáng)力強(qiáng)于電磁力。

對(duì)于較小的原子核（原子序數(shù)最多為 20），質(zhì)子和中子的均勻分布通常是最穩(wěn)定的。但對(duì)于較重的元素，需要越來越多的中子來提供緩沖，達(dá)到1.5或更高的中子與質(zhì)子比。但這只是穩(wěn)定性理論的一部分，它沒有解釋為什么單個(gè)中子的差異可能意味著穩(wěn)定性的巨大差異，它也沒有解釋為什么锝?jīng)]有穩(wěn)定同位素。

要理解這一點(diǎn)，我們必須超越將原子核表示為一團(tuán)混亂的質(zhì)子和中子的想法。我們必須將這些核子視為具有能級(jí)，就像電子一樣。高中化學(xué)課上講過的：如果一個(gè)電子殼層有八個(gè)電子，它就是穩(wěn)定的。類似的，有一些可以完成核殼的幻數(shù)，中子是2、8、20、28、50、82、126，質(zhì)子是 2、8、20、28、50、82、114。原子核越接近這些數(shù)字，它就越穩(wěn)定。

這些幻數(shù)都是偶數(shù)，那是因?yàn)楹俗痈鶕?jù)它們的量子自旋配對(duì)，向上自旋和向下自旋導(dǎo)致凈零自旋。這種自旋耦合意味著，即使質(zhì)子或中子的數(shù)量不是幻數(shù)的，原子核仍然傾向于擁有偶數(shù)個(gè)質(zhì)子，或者偶數(shù)個(gè)質(zhì)子加中子。擁有未抵消自旋的質(zhì)子或中子似乎不利于穩(wěn)定性。

那這是否可以解釋锝的不穩(wěn)定性？當(dāng)然，我們可以看出43不是質(zhì)子的幻數(shù)，但是它附近的奇數(shù)元素，如47個(gè)質(zhì)子的銀，具有非常穩(wěn)定的同位素。即使給 锝一個(gè)特定的中子數(shù)使它核子數(shù)為偶數(shù)也不濟(jì)于事，例如，锝-96會(huì)在不到一小時(shí)內(nèi)衰變。所以除了中子填充、核殼填充和自旋耦合之外，似乎還有更多神秘的力量在起作用。

事實(shí)證明，沒有一套簡單的原則可以確定核穩(wěn)定性。有太多因素在起作用，解決這個(gè)問題的唯一方法就是模擬原子核。我們使用密度泛函理論等計(jì)算技術(shù)在這方面取得了一些顯著的成功。這些模型仍然不完美，但它們做出了很多我們已經(jīng)驗(yàn)證過的預(yù)測，還有一些我們還沒有驗(yàn)證過的預(yù)測，例如穩(wěn)定島。

當(dāng)我們將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與我們的模擬相結(jié)合時(shí)，我們可以制作這樣的圖表，在這里我們可以看到這些幻數(shù)。質(zhì)子數(shù)為幻數(shù)的元素具有更穩(wěn)定的同位素，而中子數(shù)接近幻數(shù)的元素往往有更多的同位素。模式出現(xiàn)了，但并沒有為我們提供產(chǎn)生穩(wěn)定核所需條件的清晰規(guī)則。

那么，是否還有元素周期表上沒有的元素呢？我們的計(jì)算表明，當(dāng)前元素周期表之外的質(zhì)子和中子可能有更多的幻數(shù)，我們的計(jì)算機(jī)模擬也同意這個(gè)觀點(diǎn)。我們不確定這些幻數(shù)是多少，但顯然它們?cè)谥凶?84和質(zhì)子126附近，它們的半衰期可能為數(shù)百萬年。

審核編輯：劉清