未来的周期表：人造元素与科学史

1869年门捷列夫公布的周期表有66个位置，其中除已发现的63种元素（其中钴、镍共占一个位置）外，有4个位置预示着未知元素的存在。到了1894年，发现的元素已达75种。不久被发现的5种惰性元素作为一族补充进周期表。1898年居里夫妇发现了放射性元素钋和镭后，最后一个惰性元素氡也被发现。随后放射性元素的研究，又发现了元素锕和镤。稀土元素中最后两个没有放射性的元素镥和铕也分别在1905年和1906年找到了。根据元素的特征X射线，于1923年找到了72号元素铪。1925年发现75号元素铼。在进入20世纪30年代以前，化学家已将元素周期表从第1号元素氢到第92号元素铀的排列顺序上填满了88格。仍有原子序数为43，61，85，87的元素尚未找到。没有料到，寻找这4种元素，科学家整整花了20年的时间。当时人们根本没有料到，由于这4种元素是不稳定的，在地球上已很难找到。除87号元素外，其余3种元素都是科学家在实验室中用人工方法制备出来并加以认证的。这就是说，周期表上的有些元素不是地球上天然存在的，而是用核技术造出来的，以后的科学历程进一步说明了这一点。

1919年卢瑟福和他的助手用镭发射的α粒子去轰击氮原子，产生了氧原子的同位素，其反应式为，这是人类历史上第一次实现的元素的人工嬗变。此后许多科学家都以α粒子为炮弹进行更多的实验。1934年，法国核物理学家约里奥—居里夫妇（F.Joliot-Curie，1900—1958；I.Joliot-Curie，1897—1956）甩α粒子轰击铝得到自然界不存在的放射性元素磷-30，它放出正电子后，最后衰变成稳定元素硅-30，其反应式如下：

他们用α粒子轰击硼和镁也分别得到放正电子的放射性元素Si。他们还用α粒子去轰击氢、锂、铍、碳、氧、氮、氟、钠、硅、磷，也观察到类似现象，这就是他的第一个合成人工放射性同位素的实验。这一实验再次申明实现元素的人工嬗变是可能的，这个研究开创了核化学的新阶段。

中子的发现为核科学开辟了一个新纪元，因为中子不仅帮助人们正确地认识原子核的结构，而且还为人工变革原子核提供了有效的手段。意大利物理学家费米（E.Fermi，1901—1954）在获悉人工合成放射性元素后，考虑到如果用中子代替α粒子，一定会出现更多的核反应，因为中子不带电荷，既不受核外电子的吸引，也不受核电荷的排斥，特别是对那些原子序数较大的原子核，α粒子是难以接近的，中子却不一样。于是他计划按照原子序数的顺序对已知的88种元素逐一用中子进行射击。从氢到氧的实验几乎是一无所获，但是到了氟，果然得到了放射性同位素。如此继续下去，短短的几个月内，就制出了37种不同元素的放射性同位素。当用中子轰击第92号元素铀时，得到了几种具有不同半衰期的放射性元素。因为当时的实验已证明，要把一个元素变为原子序数增大1的元素，通过中子轰击是最佳途径。例如由于不稳定会放射负电子而变成。据此费米以为这一新元素可能会是第93号元素，并命名为“铀X”。费米的态度是很谨慎的，他申明这一推测还要做大量的实验来验证。不久这一推测就被否定了。一些科学家通过化学分析后指出：铀吸收一个中子后发生了裂变，铀原子分裂成放射性元素钡和第36号元素氪，同时释放出巨大的能量。原子核裂变及原子弹、原子能发电就是沿着这一途径实现的。

在对核反应，特别是元素蜕变规律和核稳定性有了更多认识后，科学家们决心再去寻找原子序数大于铀的超铀元素。1939年美国物理学家麦克米伦（E.M.Mcmillan，1907—1991）设计了一个很简单的实验来研究铀核的裂变反应。在一沓卷烟纸上放了薄薄一层氧化铀，经快中子流照射后，裂变的碎片会由于能量不同而打进深度不同的卷烟纸上。在对每一张纸上的放射性强度进行测量时他发现，放着氧化铀的第一张纸，其放射性类型与其他纸不同。他立即想起了费米原先的想法，是否设想有些中子被铀吸收而没有引起裂变呢？没有裂变的是否生成新的重铀核，后者若进一步发生β衰变，岂不就会生成第93号元素，这元素是不会飞离氧化铀的。进一步深入研究，果然证明他的判断是对的，第93号元素就是这样被制得了，它被命名为镎的半衰期是2.2天。

镎的合成使科学家相信再造出另一个新的超铀元素是大有希望的。1940年美国化学家西博格（G.T.Seaborg，1912—1999）和麦克米伦等合作，用氘核去轰击铀，产生，再发生β衰变就生成第94号元素的同位素，它被命名为钚（Pu）。一样是重要的核燃料，1945年在日本长崎上空爆炸的原子弹就是一颗钚弹。(www.xing528.com)

在合成镎和钚后，西博格等人在美国于1944年至1961年间又合成了9种超铀元素，它们分别被命名为镅、锔、锫、锎、锿、镄、钔、锘、铹。由于麦克米伦和西博格在超铀元素合成和研究上做出了杰出贡献，被授予1951年的诺贝尔化学奖。

通过大量的核反应实验，科学家进一步掌握了用质子、氘核、氦核、碳核、氧核、氖核去轰击各种重原子，从而研制出多种超铀元素的同位素。1969年至1974年间，利用较重的原子核，如氧核去轰击适当的超铀元素的同位素，先后合成了原子序数为104，105，106，107的新元素。1984年后继续通过重离子核反应又合成了原子序数为108，109，110，111的元素。迄今为止已经合成了直到第111号元素，和190多种超铀核素。由于合成的第104号至第111号元素的量都是非常少，例如，第107号至第111号元素所得的数量仅以几个原子计，所以，迄今只能对第104号和第105号两种元素进行了很简单的化学性质的初步研究。第106号元素的量太少，还不足以加以研究。科学家还发现，新的超铀元素的稳定性随着原子序数的递增而急剧降低。第97号以前的超铀元素，其寿命最长的同位素的半衰期可达千年以上，而第103号元素铹的寿命最长同位素的半衰期仅180秒；（第104号）的半衰期为70秒；（第105号）为40秒；（第106号）为0.9秒；（第107号）仅有4微秒；第108号元素至第111号元素的半衰期都在1个微秒以下。尽管合成更多的超铀元素的同位素的实验仍在进行，试图合成原子序数更高的元素的努力没有停止，但是有人已提出，合成原子序数更高的新元素还有没有可能？元素周期表是否到头了？对此，科学家们有不同认识。有的学者通过对核的精细结构的分析，提出了“幻数理论”，即认为原子核中的质子和中子具有某些特定数值时，核就稳定，如质子数为2，8，14，28，50，82，114，164的核就应是稳定的。据此提出了超重核稳定岛的假设，认为可能存在以原子序数为114和164为中心的稳定岛。这一假设能否通过科学实践的检验，人们将拭目以待。

在世界的古代，有人曾猜测世界的万物是由几个基质构成的。由于历史条件的局限，这种想法只能是臆测。经过了两千多年的科学实践，人们逐步积累起丰富的有关物质和元素的知识，特别在门捷列夫等人提出了化学元素周期律后，在科学实验的帮助下，人们对构成万物的元素，对元素之间的联系，对其化学性质的周期性变化逐渐有了本质的认识。一幅相互联系、相互转化的、千变万化的、本质归原的物质世界的图像清楚地展示出来。认清了这一图像显然可以帮助人类更好地与大自然和谐共处，帮助人们更合理、更充分地利用大自然恩赐的资源，更科学地改造和美化人类生存的环境。

科学的发展是没有止境的，可以说目前人们对物质和元素的认识还是很肤浅的，尚有众多的未知领域有待探索和认识，这就要求在科学的征途上必须有一种锲而不舍的精神。