科学家在发现/合成新元素时遇到了哪些困难？
2019-03-14 2015 年化学元素周期表再次增添 4 位成员，可以相信，在此次批量发现新元素之后，肯定还有更多的新元素会不断被发现。不过，这一发现过程可能会持续很长时间，因为新元素会越来越难以发现和生成。 要证明发现了新元素其实十分困难，首先要有不寻常的发现，比如不同于已知元素的化学或物理特性，例如是无法解释的放射性或光谱线。其次，要分离出足够重量的新元素，以便称重、测试，并用于说服他人。在元素周期表中定位元素需要确定其原子量和化学性质，例如，镭（Ra）的性质和钡（Ba）很相似，原子量也比较重，所以它正好在元素周期表中钡的下面。更重要的是，测定原子量是困难的，因为它需要纯物质。 相似重量和特征的元素是很难区分的，因为得先确定原子量的值对于计算放射性衰变系列，以及区分新元素和现有元素的未知版本（同位素）的不同。近年来，新元素的生成则很少靠单打独斗，更多则是联合研究的成果，比如此次发现的四种新元素，既有美国人的功劳，也有俄罗斯和德国人的贡献。当然，这些成果并非是毫无争议的。俄罗斯人一直对将第 113 号元素认定由日本人发明而耿耿于怀。俄罗斯人认为，杜布纳联合核研究所（объединённый институт ядерных исследований, ОИЯИ)）最早于 2003 年就已首次利用钙轰击鋂，而日本人的实验则是在一年后利用锌离子轰击铋。所有这些争议的核心是，究竟什么才算是真正有说服力的结果？通常是由国际纯粹与应用化学联合会（International Union of Pure and Applied Chemistry，IUPAC）的专家决定了这一结果，但这种决定毕竟很主观，这些元素是通过对它们的放射性衰变特点进行检测的。 然而每一种同位素拥有不同的衰变过程，每一种同位素分别以自己的速度进行衰变，以半衰期进行测量，由于这种微弱的信号必须在与其它原子核聚合过程中进行探测，因此确定哪一家声明更有说服力并不容易。但是，我们还是有很好的理由进入周期表的第八行，只是这将意味着我们不再像以往那样生成原子。為什麼呢？以新发现的四种新元素为例，就是元素周期表第七行的最后成员，如果我们能够发现第 119 号元素，它将是第八行首个成员，因此这种元素第八层壳的电子数为 1 个。不过，这种极端的元素可能会打破现有周期表的组织规则，每一列的元素拥有相似的特性，这是因为它们的最外层电子壳以同样的方式排列。比如，最左侧一列的元素都是活性金属，在它们的外层壳只有一个电子，这是一种不稳定状态，原子有可能失去自己唯一的电子。相反地，最右侧一列外层壳电子满员，这就意味着它们是很难发生化学反应的，因此它们被称为“惰性气体”，而这些规则可能并不适用于所有的超重元素。 在它们的原子中，位于原子核附近的电子被正电荷的原子核紧紧吸引，它们以极快的速度运行，它们的速度适用于 Einstein 的相对论，即物质移动速度越接近光速越会增加质量。因此，内层电子变重，这种连锁反应会带动外层电子，而外层电子则能够决定元素的化学特性，结论就是这种连锁反应意味着超重元素的行为方式，可能并不像我们以往所认为的那种方式。此外，超重元素似乎是越重衰变得越快，这就意味着不仅仅很难研究它们的化学特性，而且更难以生成它们，即使生成了，也难以检测它们的化学特性。同理，可以估计较大原子核的稳定性不佳，因此，没有任何证据证明我们无法进入元素周期表第八行。 现在并不清楚是否所有超重元素都能够维持足够长时间，是否有一个临界点？即原子至此已无法再重，否则它们将不可能存在？美国物理学家 Richard Phillips Feynman 通过公式计算得出，原子核中不可能有超过 137 个质子，理由是最内层的电子，即第一层电子壳没有稳定的轨道。换句话说，第 137 号元素的原子核将无法控制住它们。不过，Feynman 的公式采用了一个近似值，即原子核大小近似为零，事实上当然不是。当进行更为精确计算时，在第 173 号元素之前，最内层电子的能量似乎并未出现异常现象。第 173 号元素的最内层电子可能处于一种异乎寻常的不稳定状态，即可能产生“虚拟”粒子。换句话说，这些重元素的电子云可能有时会释放出反物质粒子。 这些都是物理界的不同看法，就让我们拭目以待吧！  