元素周期表外还有稳定的元素吗

门捷列夫按原子量对已知元素进行排列，并注意到随着原子量的增加，化学性质会周期性地重复出现。我们现在知道，化学性质取决于价电子的数量。每向原子核添加一个质子，价电子就会增加一个，直到电子层被填满。尽管他不了解质子，但门捷列夫确实注意到了他的元素周期表中的空白。他正确地将这些空白解释为尚未发现的四种元素，甚至能够预测它们的许多属性。

随着时间的推移，这些元素中的三种被发现了：钪、镓和锗。但是仍然缺少一种元素，就在钼和钌之间，我们发现它必具有 43 个质子的原子核。七十年来，化学家一直在寻找 43 号元素，但在自然界中无处可寻。但它最终被发现了，但不是在自然界中。

1937 年，意大利物理学家 Emilio Segrè 得到了一些钼箔，这些钼箔曾是欧内斯特・劳伦斯新发明的回旋加速器的一部分。箔在加速器中呈现放射性，Segrè 和他的 Carlo Perrier 能够证明，一些钼获得了质子转化为 43 号元素。他们以希腊语“艺术”一词命名新元素为 Technetium，中文名为锝。它是一种银灰色金属，化学性质介于锰和钌之间，元素周期表中位于锰之下和铼之上。

那么，当所有其他元素都可以在自然界中找到时，为什么我们必须人工生产锝呢？实际上锝也可以在自然界中产生，它是在超新星爆炸中形成的。但锝非常不稳定，以至于当地球从死星的碎屑中得到材料时，所有的锝早已消失。

元素可能不稳定的想法的一个更常见的术语是放射性，我们倾向于将其与铀和钚等非常重的元素联系起来。但实际上元素周期表上的任何元素都可能不稳定。更准确地说，元素周期表上的每个元素都有不稳定的同位素。“同位素”是指具有不同中子数量的同一元素的不同版本。

例如，一个碳原子的原子核中有 6 个质子。碳-12 有 6 个中子，它非常稳定。而碳-14 有 8 个中子，它非常不稳定，它有一个多余的中子在放出电子和中微子后转变成质子，从而将其转变为氮。每种元素都有不稳定的同位素，有些元素只有不稳定的同位素，较大的原子序数往往会产生较少的稳定同位素和较短的半衰期。具有超过 118 个质子的元素衰变得如此之快，以至于我们从未在实验室中检测。

事实上，稳定性取决于原子核中质子和中子之间的平衡。你可能会认为，经过一个半世纪的核物理学思考，我们已经弄清楚了所有这些规则。但实际上原子核的动力学是如此复杂，以至于需要复杂的计算机建模才能理解，然而许多谜团仍然存在。

原子核是极端力量处于微妙平衡的地方。一方面，我们有电磁力试图将所有带正电的质子分开，并且由于质子的距离很近，所以这种排斥力很大。另一方面，我们有更强大的核力将核子聚集在一起，它涉及在核子之间发送虚夸克包 —— 介子。但重要的是要知道强力是短程效应，如果原子核变得太大，强力就无法将其保持在一起，各种类型的核衰变就不可避免。

强力虽然很强大，但在真正起作用的短短距离内，力量却没有太大的变化。然而，两个电荷越接近，电磁力就会越强。这意味着如果质子靠得太近，电磁力可以压倒强力，这是破坏原子核稳定性的另一种方式。这就是中子起作用的原因，它们有助于隔开质子，从而使强力强于电磁力。

对于较小的原子核（原子序数最多为 20），质子和中子的均匀分布通常是最稳定的。但对于较重的元素，需要越来越多的中子来提供缓冲，达到 1.5 或更高的中子与质子比。但这只是稳定性理论的一部分，它没有解释为什么单个中子的差异可能意味着稳定性的巨大差异，它也没有解释为什么锝没有稳定同位素。

要理解这一点，我们必须超越将原子核表示为一团混乱的质子和中子的想法。我们必须将这些核子视为具有能级，就像电子一样。高中化学课上讲过的：如果一个电子壳层有八个电子，它就是稳定的。类似的，有一些可以完成核壳的幻数，中子是 2、8、20、28、50、82、126，质子是 2、8、20、28、50、82、114。原子核越接近这些数字，它就越稳定。

这些幻数都是偶数，那是因为核子根据它们的量子自旋配对，向上自旋和向下自旋导致净零自旋。这种自旋耦合意味着，即使质子或中子的数量不是幻数的，原子核仍然倾向于拥有偶数个质子，或者偶数个质子加中子。拥有未抵消自旋的质子或中子似乎不利于稳定性。

那这是否可以解释锝的不稳定性？当然，我们可以看出 43 不是质子的幻数，但是它附近的奇数元素，如 47 个质子的银，具有非常稳定的同位素。即使给 锝一个特定的中子数使它核子数为偶数也不济于事，例如，锝-96 会在不到一小时内衰变。所以除了中子填充、核壳填充和自旋耦合之外，似乎还有更多神秘的力量在起作用。

事实证明，没有一套简单的原则可以确定核稳定性。有太多因素在起作用，解决这个问题的唯一方法就是模拟原子核。我们使用密度泛函理论等计算技术在这方面取得了一些显着的成功。这些模型仍然不完美，但它们做出了很多我们已经验证过的预测，还有一些我们还没有验证过的预测，例如稳定岛。

当我们将实验数据与我们的模拟相结合时，我们可以制作这样的图表，在这里我们可以看到这些幻数。质子数为幻数的元素具有更稳定的同位素，而中子数接近幻数的元素往往有更多的同位素。模式出现了，但并没有为我们提供产生稳定核所需条件的清晰规则。

那么，是否还有元素周期表上没有的元素呢？我们的计算表明，当前元素周期表之外的质子和中子可能有更多的幻数，我们的计算机模拟也同意这个观点。我们不确定这些幻数是多少，但显然它们在中子 184 和质子 126 附近，它们的半衰期可能为数百万年。

本文来自微信公众号：万象经验 （ID：UR4351），作者：Eugene Wang

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