作者 liuboy (衣带渐宽终不悔), 信区: CCME
标题 [元素的世界]——锕系后元素Transactinides
时间 北大未名站 (2005年10月11日00:21:24 星期二) , 站内信件
───────────────────────────────────────
从7月底到现在，xdjm们把周期表中的元素从1号写到了103号。前面的元素每一个都
有自己的一段神话，每一种元素在科学研究和生产生活中都有用武之地。它们有着各种各
样的化学性质，能组成各种各样的物质，具有各种各样的用途。可是今天给大家介绍的锕
系后元素，可要让大家失望了——别说性质和用途，就是想多看它几眼，都很困难呢。
自从人们发现了还算比较稳定的铀（U）元素，一直认为这就是周期表的终点（那时
对于物质结构的了解远不如今天这样深刻）。后来，有些人尝试，在U后面还有没有新的
元素呢？如何去创造元素呢？人们发现，如果用质子流、alpha粒子流或其他原子核的粒
子流去轰击原子核，可以得到比原来的原子序数更大的原子，也就是说，可以用这种方法
创造新元素。人们确实这样做了。请看：
1969年，在具有传奇色彩的UC Berkeley（好牛的地方哦……），用动能为69MeV的C
-13轰击Cf-249，得到了104号元素Rf。（同样可以用动能为71MeV的C-12轰击Cf-249或动
能为113~115MeV的氖核轰击钚靶）它仅仅存在了0.15~0.3s就衰变成其它元素。之所以起
名字叫Rf，是为了纪念E. Rutherford，一位原子论者的先驱。
1970年，在前苏联的杜布纳实验室，用Ne-22轰击Am-243，得到了105号元素Db。
1974年，在UC Berkeley和Dubna，人们同时得到了106号元素Sg。
1976年，还是在Dubna，苏联人用Cr-54轰击Bi-204，得到了107号元素Bh。只存在了
千分之二秒就衰变。1997年IUPAC命名为Bh是为了纪念哥本哈根的英雄Bohr。
1984年，在当时西欧德国的重离子研究实验室，人们得到了108号元素Hs。之所以这
样命名，是因为拉丁文的Hassias意思为“Hess”，即为德国。
早在1982年，在同样一个地方，用Fe-58轰击Bi-209，得到了109号元素Mt。这是为了
纪念瑞典女科学家Lise Meitner，她发现了元素镤，并分离出了铀核，并且给“裂变”下
了一个明确的定义。
……
创造元素的工作还在继续。人们同时也在自然界中寻找新元素。对于那些有着特殊质
子数和中子数的原子核，人们相信会有较长的半衰期，它们被称为“超重元素”。寻找超
重元素的途径主要有两个：一是在组成地球的物质中发现（这需要半衰期大于10E+9年）
，二是在宇宙线中探索（这需要半衰期大于10E+5年）。对于那些不可能稳定存在的原子
核，人们只能是用轰击的办法在实验室合成（现在的前沿是采用“高能质子次级反应”，
据说产率可以达到5000个/月）。这也注定了他们的命运只能是科学家的“玩物”而不能
有任何实际用途，因为它们一生下来就要死了。这一类的原子，因为“朝生暮死”，所以
要有特殊的方法检测。一般是通过探测原子核的裂变径迹或裂变产物，以间接证明某一种
原子核确实“存在过”（注意是过去时）。它们的性质，一般不能用常规的化学方法去研
究，因为在表征过程当中，它已经衰变了。这些元素性质的获得，一般是采用计算化学的
手段，如自恰场方法（常用的是Hatree-Fock-Slater法），可以获得元素近似的性质。
周期表还在不断地被延长，它有终点么？这便是我下面要讨论的问题。在讨论元素周
期表终点之前，首先先向大家介绍锕系后元素的命名。
Nomenclature of Transactinides
一般说来，是由发现者给元素命名，然后由国际纯粹与应用化学学会（IUPAC）予以
确认。可是如果两个人同时发现怎么办呢？就有这样的故事。我们提到过的104号元素即
是其中一例。Dubna和UC Berkeley两个地方同时宣称自己发现了新元素。苏联人将它命名
为Ku，以纪念前苏联科学家库尔恰托夫。而美国人命名为Rf，以纪念科学家卢瑟福。无独
有偶，1976年，这两个实验室又分别用不同的方法得到了107号元素，前苏联人称之为Bh
，以纪念丹麦科学家波尔，而美国人称之为Ha，以纪念德国科学家哈恩。美、苏两国科学
家对104、107号元素的命名最开始都没有得到IUPAC的公认，使这两个“难兄难弟”“出
生”几十年，还没有正式的名字。直到1997年IUPAC给予了最终确认。
为了解决新元素的命名问题，国际化学协会无机化学组曾于1977年8月召开会议，主
持人N. N. Greenwood宣布了这一系统命名法：从104号元素以后，不再以人名、国名来命
名，而是根据新元素的原子序数来命名。即元素名称由其原子序数的每一个数码的拉丁文
数词组成，即0 —— nil，1 —— un，2 —— bi，3 —— tri，4 —— quad，5 ——
pent，6 —— hex，7 —— sept，8 —— oct，9 —— eun。然后在字尾再加上一个尾
缀ium，如104号元素为Unnilquadium。元素符号由开头三个字母组成，如106号元素为Un
h，107号元素为Uns，……但这项决定没有约束力。所以说104号元素以后，至今没有全世
界统一的名称及符号。
1998年4月，张青莲教授为庆祝我们北京大学建校100周年提供的元素周期表上，104
号以后的元素分别为：104 —— Rf（音“卢”），105 —— Db（音“杜”），106 ——
Sg（音“喜”），107 —— Bh（音“波”），108 —— Hs（音“黑”），109 —— Mt
（音“麦”）。110号以后的元素才按上述规则命名：110 Uun、111 Uuu、112 Uub。
The End of Element Table: Yes or No?
关于元素周期表的延伸，最开始人们认为有两个方向：H之前和U之后。在原子结构未
搞清楚之前，人们确实设想有比氢原子量小的元素。门捷列夫本人也曾有过这样的想法。
1902年，已是晚年的门捷列夫在氢的前面列出了两种元素X和Y。他认为X就是以太，在科
学尚无法解释光、热、电本质之前，人们一直认为以太可以作为物质相互作用的媒介，可
以传播光、热、电及万有引力，门捷列夫把以太当作一种很轻的元素，并称它为Newtoni
um，以纪念牛顿。而Y元素，门捷列夫认为是日冕大气层中存在的一种元素。他还计算出
，X和Y的原子量分别为0.17和0.4，都比氢的原子量1要小，故应该排在H的前面，使周期
表向前扩充。
1906年，南斯拉夫的一位化学家用“Nw”和“Cn”两个符号代表这两个元素，并把它
排在周期表最前面。但是，这两种元素一直没有被发现。
现在我们知道，H元素的原子核中只有1个质子（同位素原子中还有0-2个中子），核
外只有1个电子，原子结构是最简单的，它的前面不可能再有元素。电子、中子等粒子被
发现后，曾经有人把它们放在元素周期表中，列在H的前面。但电子、中子等粒子并不是
元素，周期表是化学元素周期表，而非基本粒子周期表。如今，我们面对着近300种基本
粒子，就像门捷列夫当年面对63种元素一样，也应该理出个头绪。不过，这不是周期表的
扩充，而应该完全是另外一项工作。总之，周期表不能再向前扩充了。那么，能否向后扩
充呢？
使用质子或alpha粒子轰击某种元素的原子，以生成原子序数更大的元素的原子。这
是通常制造新元素的方法。可是理论证明，这样的方法只能制取101号以前的元素。科学
家们改进了加速器，使它能够加速含有6~8个质子的粒子，如碳和氧的离子，用它们去做
轰击源。比如已经发现的109号元素Mt，就是以铁离子为炮弹轰击铋靶整整15天才得到的
，但它的寿命非常短，仅仅存在了0.5微秒，就衰变成107号元素Bh，紧接着又放出一个a
lpha粒子变成105号元素Db。
新发现的元素，随着原子序数的增大，寿命越来越短，即越不稳定。92号元素U的半衰
期是7.13E+8年，98号元素为470年，99号元素1年，100号元素82天，105号40秒，106号0
.9秒，108号1微秒。根据这个趋势预测，即使今后还能人工合成新元素，合成它的同时，
也就消失了，难以制得，也难以鉴定。因此有人预言，最多还能搞出10种左右的元素，元
素周期表就到达它真正的终点了。
然而，近年来对于元素原子核的稳定性的研究又有了新的进展，提出了“超重元素稳
定岛”的假说。认为元素的稳定性随原子序数增大到一定的区间，元素又会稳定起来，即
可能存在着一大批稳定的超重元素，特别是114号、126号、184号等元素将特别稳定，因
为上述数字为“幻数”（有满壳层的原子核）。这也就意味着元素周期表还远没有到达终
点。
无论如何，有这样三点是要引起注意的：第一，118号元素应该排在18族。作为稀有
气体这一族，以前的元素在室温都是气态。仿照卤素族的规律，118号元素会不会在室温
呈现液态或固态？（前提是118号元素足够稳定以形成单质）如果这样的话，我们就可以
拿到“稀有液体”或“稀有固体”。119号元素应排在1族。作为碱金属，以前的元素都是
固态并且熔点逐渐降低。仿照这个规律，119号元素会不会在室温下呈现液态？形成除Hg
以外的第二个常温液态金属？（前提仍然是119号元素足够稳定以形成单质）如果这样的
话，那么元素的世界又多了几分特殊性。这是真的么？
第二，随着电子数目的进一步增多，5g亚层和6f亚层要被填入电子。这带来的问题是
，将有更多的元素拥有像镧系元素和锕系元素那样的电子排布。也许我们会有更多的“系
”排出来。另外，第8周期即将填入5g电子，这会在现有的元素周期表2族和3族之间插入
更多的元素。也许到那个时候，这样的系列，就像现在的过渡金属系列那样，不必单列出
来，而是直接列在周期表中。也就是说，现有的长式周期表要变得更长，变成32族以便包
含所有的f区元素，而把g区元素列在下面，就像现在的镧系锕系一样（其中每个g系列的
元素在周期表中只占一个空格）。或者干脆，变成50族以便包含所有的g区元素，这样的
周期表将会变得非常宽，而且两边的族包含的周期数要比中间的族更多。或者，取消族的
概念，直接按周期“中心对齐”排列成若干行，传统的族在这样的周期表中是斜线。第1
行2个元素，第2-3行8个元素，4-5行18个元素，6-7行32个元素，8-9行50个元素……这是
真的么？
第三，如果“稳定岛存在”，是不是说，具有那些原子序数的元素，是比较稳定的，
容易被探测的，可以在周期表中占有一席之地。而那些不够稳定的，不能在完全衰变之前
被检出的（因为仪器分析同样有响应时间，如果响应时间比半衰期长，自然不能检出，也
不知道是不是真正被合成出来了），到底真正存在不存在呢？如果认为存在，既然检不出
来，他们在哪里？如果不存在，岂不是有些空格要空出来，而第8周期以后只有很少量的
空格被填上元素，造成元素周期律的不连续性？这是真的么？
……
类似这样的疑问还有很多。总之，元素周期表的终点将是一个十分神秘的话题，等待
着我们去思索、讨论和创造。
晚上十点的时候，flyingbaby JJ告诉我说再扯一些感受，于是就有了下面这一段话
：
今天的元素实在没有什么性质可介绍，所以就扯了很多与锕系后元素无关的，大家见
谅~~~元素写到今天，两个多月的时间我们遍历了元素周期表，可以说是一道丰盛的大餐
。两个月的时间坚持下来也挺不容易的，谢谢xdjm们为我们写下so多妙笔生花的文章。我
为我自己是CCME的一员而感到骄傲！^_^
本文参考了一些书目，并加入了作者的些许观点，叙述与表达如有不妥之处，还望各
位指出，请直接发到这里或我的信箱。非常愿意与大家讨论，谢谢。
References：
[1]《中国大百科全书 化学卷》，中国大百科全书出版社，1998
[2]《无机化学丛书 第十卷 锕系和锕系后元素》，科学出版社，1998
[3]《中级无机化学》，项斯芬，北京大学出版社，2005
[4]《化学知识探源》，陈平初，湖北教育出版社，2000
--
FROM 162.105.96.*