科學人 發行日期:2013/07 刊號:137
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【化學】 重整你的元素週期表

撰文/塞利(Eric Scerri) 翻譯/王心瑩

重整你的元素週期表

新元素的發現與合成,填補了化學元素週期表中的空缺,然而完整的週期表,卻失去了原有的「週期」規律!

重點提要
■2010年發現的117號元素,讓眾所皆知的週期表第一次填補完整;至少在發現其他新元素之前是如此,到時候化學家又得為週期表增加新的一個橫排。
■然而,最近新增添的一些元素竟然與同一直欄的其他元素有不同的化學性質,打破了過去一個半世紀以來規範週期表的週期定律。
■這些令人驚訝的表現,很可能來自於狹義相對論所描述的效應,這種效應會讓一些電子軌域收縮而變小。
■核子物理學家持續努力合成新元素,這些新元素會擁有新的電子軌域,而即使這些原子的存在時間很短,科學家也致力了解這些原子的化學性質。

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。

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