新元素的发现和周期系理论的发展，本文主要内容关键词为：周期论文,理论论文,新元素论文,发现论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
我们生活的这个世界上各种各样的物质都是由原子构成的。虽然原子的种类不同，性质也有差异，但是它们之间存在着一系列结构和性质上的规律，特定的量变质变规律把它们联系起来，我们称之为元素周期系。而元素周期表正体现了这种规律。这是人类科学史上最伟大的发现之一。
20世纪初期，继电子的发现和元素放射性的发现之后，建立在量子力学基础上的原子电子层结构理论和原子核结构理论逐步发展起来，人们更加深刻地认识到：元素的化学性质随原子核外电子层结构变化呈现周期性的变化。在此基础上，周期律理论进入了更高层次的发展，化学元素周期律不仅推动了化学科学的发展，而且成为整个自然科学发展的基础理论和核心基石之一。
一、新元素的人工制备
当门捷列夫提出第一个化学元素周期表的模型时，已知的元素不过63种。到1944年为止，自然界存在的所有92种元素就已经全部被发现了。在原子和原子核结构理论的指导下，自40年代起，科学家们开始人工制备92号元素铀以后的新元素——超铀元素。现代周期系开始不断地向重元素端延伸。1940年美国化学家E.M.麦克米伦、C.T.西博格合成了93号元素镎和94号元素钚。1944～1961年间，西博格等又合成了95～103号超铀元素，后来又制备了104～109号元素。在制备新元素的基础上提出并证实了与“镧系元素”相对应的第二个稀土族——“锕系元素”的存在。锕系理论的提出和确立，进一步丰富了元素周期表和元素周期系理论，证实了元素周期系理论对化学元素原子结构理论的指导作用。1996年用加速的锌原子轰击铅靶而制备了112号元素。
1999年是一个丰收年，114、116、118号元素相继被宣告用聚变的方法制备出来。当年6月美国劳伦斯·伯克利（Lawrence Berkely）国家实验室的研究人员宣布，他们在用高能的Kr—86强离子束轰击Pb—208时，检测到3组相关的信号可以用以证明产生了含有175个中子的118号元素，118号元素随即发生衰变，在其中的一支衰变链中鉴别出116号新元素。然而在接下来的2000和2001两年中，他们的重复试验却未能得到同样的结果，在德国和日本的重离子研究机构里也无法用实验来确证上述发现。劳伦斯·伯克利实验室的工作人员于2001年7月收回了他们发现118和116号元素的论文，然而这并不排除进一步的实验发现118号元素的可能性，相反却为将来的研究和明确无误的发现该元素扫清了道路，同时也证明了超重元素的稳定存在是可以预期的。
目前元素周期表共有六个完整周期，第七周期尚有7p轨道未填满，最后一个元素将是118号元素类氡，具有稀有气体的稳定结构。从119号元素开始将进入第八周期，到168号元素结束，该元素具有稀有气体元素结构，但沸点在室温之上，很可能是液体。第九周期则也应有五十个元素，当然这仅是理论上的推测，实际上，随着原子序数的增大，相对论效应将进一步增强，核外电子的排布将会出现更为复杂的情况。
表1 超铀元素的发现[1]
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│ 超铀元素│发现年份│发现者 │
├─────┬───────┼────┼────────────────────────────────┤
│[，93]Np │镎│ 1940 │（美）E.M.Mcmillan、P.H.Abelson（1942年，A.C.Wahl、G.T.Seaborg发│
│ │ ││ 现Np-237） │
├─────┼───────┼────┼────────────────────────────────┤
│ │ │1940││
│[，94]Pu │钚│1941│（美）G.T.Seaborg、E.M.Mcmillan、J.W.Kennedy和A.C.Wahl │
├─────┼───────┼────┼────────────────────────────────┤
│[，95]Am │镅│1944│G.T.Seaborg、R.A.James、L.O.Morgan、A.Ghiorso、Hamilton和J.Curie│
├─────┼───────┼────┼────────────────────────────────┤
│[，96]Cm │锔│1944│G.T.Seaborg、R.A.James和Albert Ghiorso │
├─────┼───────┼────┼────────────────────────────────┤
│[，97]Bk │锫│1949│G.T.Seaborg、Albert Ghiorso和S.G.Thompson
│
├─────┼───────┼────┼────────────────────────────────┤
│[，98]Cf │锎│1950│S.G.Thompson、A.Ghiorso、G.T.Seaborg和K.Street │
├─────┼───────┼────┼────────────────────────────────┤
│[，99]Es │锿│1952│美国原子能委员会的Argonne，Los Alamos在研究第一颗氢弹在太平洋中 │
│ │ ││核爆炸碎片时发现。 │
├─────┼───────┼────┼────────────────────────────────┤
│[，100]Fm │镄│1952│（美）Argonne，Los Alamos在研究第一颗氢弹在太平洋中核爆炸碎片时 │
│ │ ││ 发现。 │
├─────┼───────┼────┼────────────────────────────────┤
│[，101]Md │钔│1955│A.Ghiorso、B.G.Harvey、G.R.Choppin和G.T.Seaborg │
├─────┼───────┼────┼────────────────────────────────┤
│ │ │1957│斯德哥尔摩诺贝尔物理学院首先发现│
│[，102]NO │锘│││
│ │ │1958│（美）G.T.Seaborg、Albert Ghiorso、J.R.Walton和T.Sikkeland │
├─────┼───────┼────┼────────────────────────────────┤
│[，103]Lr │铹│1961│（美）A.Ghiorso、T.Sikkeland、A.Larsh和R.M.Latiner │
├─────┼───────┼────┼────────────────────────────────┤
│ │ │1964│原苏联杜布纳研究所报道Rf-260的发现，并命名为Kurchatovium。 │
│[，104]Rf │
││（美）加利福尼亚大学在Berkeley的Albert Ghiorso等报道了Rf-257的 │
│ │ │1969│发现，并命名为Ruther-fordium以纪念E.R.Rutherford（卢瑟福）。│
├─────┼───────┼────┼────────────────────────────────┤
│ │ │1967│原苏联杜布纳研究所报道Db-260和Db-261的发现。│
│[，105]Db │
│1970│（美）Albert Ghiorso等报道了Db-260的发现，并命名为hahnium。 │
├─────┼───────┼────┼────────────────────────────────┤
│[，106]Sg │
│1974│（美）Albert Ghiorso等发现 │
├─────┼───────┼────┼────────────────────────────────┤
│[，107]Bh │
│1981│由在联邦德国达姆斯塔特工作的Peter Armbruster，Gottfried │
│ │ ││Munzenber发现。 │
├─────┼───────┼────┼────────────────────────────────┤
│[，108]Hs │
│1984│由在联邦德国达姆斯塔特工作的Peter Armbruster，Gottfried │
│ │ ││Munzenber领导的小组发现。
│
├─────┼───────┼────┼────────────────────────────────┤
│[，109]Mt │
│1982│德国达姆斯塔特重离子研究所发现。│
├─────┼───────┼────┼────────────────────────────────┤
│[，110]Ds │110
│1994│德国达姆斯塔特重离子研究所发现。│
├─────┼───────┼────┼────────────────────────────────┤
│[，111]Uuu│111
│1994│德国达姆斯塔特重离子研究所发现。│
├─────┼───────┼────┼────────────────────────────────┤
│[，112]Uub│112
│1996│德国达姆斯塔特重离子研究所发现。│
├─────┼───────┼────┼────────────────────────────────┤
│[，114]Uuq│114
│1999│俄罗斯杜布纳原子核研究所和美国Lawrence Berkeley国家实验室发现。 │
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│ │ ││美国Lawrence Berkeley国家实验室发现116号元素是118号元素的分解产 │
│[，116]Uuh│116
│1999│物，它很快就继续分解成114号元素。
│
├─────┼───────┼────┼────────────────────────────────┤
│[，118]Uuo│118
│1999│美国Lawrence Berkeley国家实验室宣布发现。
│
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说明：由于世界上各个实验组，包括Berkeley小组自己都不能重复1999年的结果，2001年7月27日Lawrence Berkeley国家实验室的研究人员在实验室网站宣布取消关于发现116号和118号2种新超重元素的报道。
二、元素的稳定性及周期系的界限问题
人工制备新元素给人们提出了新问题：究竟还能制备多少元素，元素的发现还有没有止境，元素周期表的终端在哪里？
二十世纪四十年代，由于超铀元素开始被发现，科学家们开始研究元素的稳定性以及元素周期表的界限问题。
随着原子序数的增加，核内质子数增加而导致斥力增大，使原子核越来越不稳定，半衰期越来越短，元素稳定性急剧降低，使人工合成新元素日益困难。如镎237的半衰期为2.14×10[6]年，钚244为8.26×10[7]年，而[261]104为70秒，[261]107仅为2×10[-3]秒，而112号元素“其寿命只有0.00028秒，随后就蜕变成了别的轻原子。因此曾有人认为人工只能制备110号以前的元素。
对于原子核结构，人们提出多种模型，如核液滴模型、壳层模型、集体模型等等。
核液滴模型是对原子核和水滴之间关系的模拟。把原子核想像为一个球，其中质子和中子总称为“核子”，如水分子一样环绕运动，每个核子都被其他的核子以同等的力所吸引，粒子不能从核里逃出去，这就是人们所说的“势阱”。核子躺在势阱里，势阱高高的阱壁阻止了粒子的外逃。只有个别粒子和粒子群穿透了势阱壁，飞到外面去，那就是α粒子和中子射线。随着原子量的增加，原子核的表面积和体积间的比就下降，每个核子周围核子的平均数目随即增大，从而每个核子的平均中间结合能也增大。出于这个原因，原本原子核越大，就越稳定。可这个态势被质子间的电荷排斥中断了。电荷排斥力是种远射程的力，也就是说，它对远距离也仍然起作用，而在这个距离上的核力就无法再让人感觉得到。如果核太大，由大尺寸产生的电力对核内的相互作用力来说，就越来越占上风。所以，只有当原子核内部强大的相互作用力比电荷的排斥力大数倍，才有稳定的原子核。从这个最大值开始，每个核子的结合不仅能朝较重的也朝较轻的核减少。
到七十年代时，随着研究和发现的深入，逐渐发展出一个重要的理论——“稳定岛”（Stable Islands）理论。
“稳定岛”指的是元素周期表上的一组性质特别稳定的超重元素，质子数在114、中子数在184左右，半衰期可长达几分钟甚至几年。因为它们周围的元素很不稳定，半衰期都很短，这些稳定的元素就像岛屿一样存在于不稳定的元素形成的海洋之中，所以被形象地称为“稳定岛”。
根据壳层模型理论，原子核内也存在壳层结构，核子按照核能级能量从低到高的顺序依次填充，填满某一能级即成一个“壳层”，这个核就称为幻数核或满壳核。[2]科学家们推算出这些幻数为2，8，20，28，50，82，126，184。当质子数Z或中子数N为这些幻数时，原子核就比较稳定。而且，如果是双幻数核（即质子数和中子数均为幻数）时最稳定，例如：[4][，2]He、[16][，8]O、[40][，20]Ca、[48][，20]Ca……“稳定岛”理论预言在质子数为114，中子数为184的核素附近，可能出现一批稳定存在的超重元素，通过重离子核即用加速重离子核轰击重核靶而形成超重复合核，放出中子或α粒子来获得超重元素。
自从有了“稳定岛”理论。核物理学家、化学家们便积极地在自然界中寻找可能存在的“稳定岛”元素。然而他们经过了几十年的努力，始终未能在实验上证实“稳定岛”的存在。合成为新元素越来越不符合“稳定岛”理论，因此，这一理论受到了挑战。
假如“稳定岛”确实存在的话，那么按照这一理论，应该还可能出现“稳定洲”，则铀后面的元素将延伸得很远很远。但是，仍然有很多科学家认为超铀元素是有界的，其界限离铀元素不会太远。元素起源理论认为：自然界的元素是恒星演化的产物，恒星的不同演化阶段合成不同的元素，超铀元素是恒星演化至超新星阶段的产物，它是在超新星爆炸时由恒星中较轻的元素通过快速连续俘获中子生成的，此宇宙高能合成过程进行互质量数约为256时，由于合成重元素的自发裂变作用而截止。自发裂变是限制超铀元素数目的最主要因素。[3]
由核物理学家和化学家共同发现的化学元素和提出的化学元素周期表以及原子结构理论，今天已成为自然科学最重要的基础理论之一，在世界科学技术发展方面起着十分重要的作用。以核反应和核裂变为研究对象的核化学，实现了古代炼术家的梦想，可以成功地把汞转变为金元素，而且正在不断地人工合成许多新元素，人类的认识能力是无限的，科学的发展无止境。人们对于化学元素的认识，正在不断地深入和发展。