二、对高限的探求

人们认识周期系高限的过程，大致也经过了三个阶段：承认天然铀既成事实的阶段；解释和寻找天然元素高限的阶段；追求人工合成元素高限的阶段。

Ⅰ．1871 年，门捷列夫在《化学原理》第 1 版提出的元素周期表中，清楚地列出，铀元素孤零零地位于最后。当时对它的左邻右舍，一无所知，而且门捷列夫对周期表为什么在铀处结束，未做任何说明。因此，那时铀便成为元素周期表的当然高限。只有在发现了惰性元素和放射性元素之后，门氏在 1905 年才开始注意到研究铀对发展周期系的重要性。

Ⅱ．铀是同发现放射性现象直接有关的第一个元素。有关放射性的研究工作，也为回答周期系的高限问题，不断地送来信息。所以，从本世纪初开始，就进入了解释和寻找天然元素高限的新时期。

在探求周期系高限的道路上，未认识核结构之前，曾出现过一段所谓的“电子”解释。这个阶段的主要特征是外因论，把元素的放射性看成是

原子受外来射线的激发所造成的。当核科学进入 30 年代以来，提出了放射性发源于核内部矛盾运动的理论，进入了所谓的“核”解释阶段，为人们解决周期系的上限问题开辟了正确的途径。科学家们根据α粒子衰变的能量、寿命（半衰期）与核稳定性的关系，以及运用幻数和核壳层模型的闭壳层概念，较好地解释了周期系的天然高限在铀处的原因。

从 U234(τ1/2=4.5×109 年)和 U235(τ1/2=7.1×108 年)的寿命看，由于它们的半衰期同地球的寿命（～5×109 年）相近，因而它们的原始状态至今仍然存在地球上。比它们重的元素，都因同位素的半衰期短于 108 年，大多已经衰变光了。如果还有幸存者，那么其量也已微少到难于探测的程度。由此可见，铀就成了周期表中原始天然元素的高限。

关于铀后元素在天然界是否存在的问题，曾有许多化学工作者，根据超铀元素类似于铀的推测，在天然铀矿中寻找过它们。可是直到 1940 年麦

克米伦等人从铀人工制得 93 号元素之前，都未获得有关天然超铀元素的可靠证据。只有在研究了铀与镎的母子关系之后，并经过改进测试技术，才终于在铀矿中发现了镎和钚。但是须知，它们的原始状态已不存在，只是作为天然铀同位素的天然核反应的二级产物而存在于自然界中，而且其量甚微。至于原子序数大于 94 的元素，在自然界中至今未被发现。所以，如果不涉及天然元素存在的原因，而只考虑存在的事实，那末周期表的天然高限，目前应扩展到 94 号元素钚。

周期系的天然高限，仅是个相对概念。天然高限是否还要向原子序数增大的方向扩展，要视今后的理论推算和探测技术所能达到的水平而定；但天然高限向原子序数减小的方向收缩，却是肯定的，只是时间要很久很久（如 100 亿年）。

Ⅲ．核科学从本世纪 40 年代开始，已进入了人工合成超铀元素的时代，冲破了天然高限，并随着新元素的发现，不断向原子序数更大的高限推进。从 60 年代开始，已进入了发现超重元素的新领域。

发现超重元素的研究工作，是在现代核结构理论和核反应理论的指导下进行的。在 60 年代，科学家们根据核壳层模型的理论计算，推论出 114 号元素的原子核具有稳定的双幻数结构（〔114〕298），类似于铅，围绕着它形成一个所谓的超重元素的稳定岛。甚至还推测出质子数为 126，164 的幻数核也有长寿命的同位素。当时，真是欢欣鼓舞，于是核科学工作者兵分两路出击：一路寻找自然界的 114 号元素；另一路人工合成它。

在向自然界寻找的过程中，从古老教堂的有色窗玻璃到海底锰铁矿石；从地球上的铂金矿石、独居石到月球岩石、陨石，均未找到确凿的证据，当然也难于得出肯定的结论。

人工合成超重元素，虽已取得了很大的进展，例如西德重离子研究所宣布：1982 年发现了 109 号元素。但要到达 114 号，仍然困难重重，而且暴露出许多新的矛盾。这是一条通向周期系最高限的崎岖道路。科学家们主要集中于超重元素原子稳定界限的预测和实现人工合成的探索。

关于超重元素原子稳定界限的理论推测

现代原子结构理论认为，原子是核和电子的对立统一体。只有核和壳层电子都稳定，原子整体才能稳定存在。只要其中任何一方受到完全破坏，原子就失去了稳定存在的条件而转化成其它层次的客体。因此，人们从电子壳层和核两个方面探讨了原子的稳定性。

从电子和核的关系看，当原子核增大到足以把内层电子（主要是 K 层电子）连续吸入核内时，就会导致整个电子层结构崩溃。

最初的工作是由哥本哈根学者罗西兰德进行的，他采用的计算式是：

d = d 0 （1 - a ² z² ），式中d 2 z

是正常氢原子的轨道半径，a是常数（等于

7.2×10-3）。根据这个公式可计算出任一元素原子的内层电子的轨道半径d。由该式看出，内层电子的轨道半径将随着核电荷(z)的增大而变小，直到使电子落到核上为止。

玻尔从量子力学的角度进行了更精确的计算，按下式计算原子序数 Z

的最大有效值（临界值）， Z有效 = hc ，当h = 1时，Z = 137。后来，

R 2πc2 有效

狄拉克等人又从相对论量子力学的角度进行了修正和计算，其计算式为

E = mc² 1 − a ² z² ，式中a是精细结构常数。如果按类氢原子计算，可得K层

轨道的能量值。因a = 1

137.04

，当Z＞137时，E为虚数，说明该原子不可能存

在。还有人得到 Z 有效=200，因可靠性更难于断定，在此不再赘述。

当周期表中的元素排列随着核电荷的增加进入第七周期之后，通过光谱分析数据，发现电子的充填规律有些紊乱。按正常的推理，其外电子壳层的构型应为 7s5f6d。但光谱数据证实，钍原子是 7s26d2，铀原子是7s26d25f2。当原子序数大于 99 时，由于原子的数量很少，半衰期又很短，已很难取得它们的光谱数据。所以，关于它们的电子构型，直到现在仍然只是预测而已。尤其原子序数再增大时，由于强烈的相对论效应造成轨道“收缩”，自旋——轨道的相互作用造成能级分裂，以及量子电动力学效应等因素的影响，使电子出现“错位”。因而，对它们的电子构型的预测更困难。尽管有人对 121 号、122 号，直至 154 号等元素的电子构型做了推算，但可靠程度不大。目前看来，至少有下述不足之处。

在第七周期后半部元素的电子构型未得到证实的情况下，就推演到第八甚至第九周期，缺乏可靠的科学根据；在对 Z 大于 110 核的稳定性的推测尚未肯定的情况下，把外电子层的构型推演得那样远，能有意义吗？预

测121号元素在填充8s亚壳层之后，立即充填8p层(8s² 8p 2 )，把这种在第二、

三周期中出现的情况，硬搬到第八周期表，能合理吗？

从核结构理论看，核物理学家采用类似于电子壳层结构的概念，建立了核的壳层结构模型理论。他们根据核结合能电四极矩和中子俘获截面等实验数据，发现具有 2，8，20，50，82，126 个质子（或中子）的核特别稳定，认为这些称为幻数的核都具有闭壳层的结构。但是，如果把 114 号元素的寿命估算太高，是同寿命随着核电荷增加而变短的趋势相矛盾的。幻数的特殊稳定性只是个相对概念，是同它周围的核相比较而言的。从总的变化趋势看，也是随着核电荷增加而寿命变短的。

实验事实说明，104 号的同位素，其半衰期最长者为 65 秒，107 号为2×10-3 秒，109 号也为毫秒级。而超重岛理论指出，从 110 号元素起，已经是超重岛的边缘了（理论预测它的半衰期τ1/2=108 年）。它的寿命是否真比 109 号变长，现在还很难断言，需要实验证实。因此，对 110 号元素

的探索，将对验证超重岛理论起着关键作用。

化学元素和核素是两个不同的概念，它们的高限应有不同的标准。如果在超重元素领域内，核的不稳定性比电子壳层的不稳定性变化快，那么化学元素的高限就要被核素的不稳定界限所制约。因此，核稳定存在的高限就成了元素的高限。

关于合成超重元素的可能性

核科学家对合成超重元素的可能性，主要考虑了两个方面的问题：一是合成途径是否可行？二是合成手段和鉴测技术的有效性如何？

合成途径的可行性，主要决定于两个前提条件，即寿命的长短和反应截面的大小。

正如许多文献所指出的那样，采用连续俘获中子合成超重元素的途径，已极其渺茫，而采用重离子核反应以飞跃的形式前进，似乎有些希望。

在合成超重元素的重离子核反应中，矛盾也不少。如果炮弹太轻，当然到达不了 114 号位置。如果炮弹加重，从增大质量看，是有利的；但从能量增大看，对形成新核还会产生不利的影响。70 年代，发现的“弛豫” 特征或“准裂变”现象，更为说明合成 114 号元素的困难性增加了新的证据。说明弹核和靶核在击中的一瞬间，还未来得及形成复合核就立即分开了，致使反应截面急剧变小，从而使合成和鉴定都变得十分艰难。已知合成105 号元素的截面为10-9 巴。合成109 号元素的实验指出，轰击离子(Fe58) 和靶核(Bi-209)在 1014 次结合中，才只有一次成功，轰击靶核达一周之久，才检测到了合成的一个新原子核。试想，反应截面再小下去，新核形成的机遇会是怎样呢？

目前一些有条件从事重离子核反应研究的国家，如美国、俄罗斯、德国等国家，都在改进原有的加速器或建新的加速器，提高加速粒子的能量

（可达 27 亿电子伏特），可加速包括 U238 在内的所有原子序数小于 92 的原子核（有人称它为全粒子加速器），为研究超重元素的合成提供了先进的技术条件。但是，是否真能合成 114 号元素，目前看来，起决定作用的因素，可能不是合成技术问题，而是前面提到的反应机理和合成途径问题。

鉴测方法，尤其是化学方法，已成为认识化学元素高限的直接限制。虽然核化学工作者已发展了许多快速而有效的鉴测方法，如有线质谱法，速度选择器，氦气喷嘴法等。但是，由于任何鉴测方法都是基于某一特定原理而设计的，所以，都具有自身的局限性。化学鉴定要求提供确保完成化学变化的时间和显示变化的数量。因此，超重元素的寿命和生成数量，必然限制着鉴测方法的有效性。从这个角度看，真正具有实际意义的元素高限，就是化学鉴测方法所能达到的极限。如果没有可靠的化学鉴定，那么很难评价元素的性质及其在周期表中的地位。

目前，对待探求周期系高限的研究工作的前景，由于缺乏直接的实验证据，尚难准确地预测。但是，也不能因至今未得到任何有关证实稳定岛存在的信息，而失去解决问题的信心。寻找超重元素的研究工作应坚持下去，争取尽快做到水落石出。从目前的发展趋势看，值得重视下列研究方向。

其一，目前已获得了约 1900 种放射性同位素，而理论预测却有近 6000 种。所以，发现新的放射性元素（同位素）的工作，还有广阔的天地。当

然，由于它们的寿命很短、反应截面极小，制备工作已非常困难。正因为如此，就应继续改进和发展重离子加速器，提高束流强度和能量。同时也要继续发展瞬间的化学和物理鉴测方法，争取认识更多的新元素。

其二，正确地看待“计算化学”的功能。虽然把电子计算机应用于计算化学中可进行大量的逻辑推理运算，但是，仅停留在许多近似和假设的基础上，是不可能彻底解决问题的。计算化学需要在人工合成实验提供更多证据的基础上，进一步充实其理论依据，完善其逻辑推演方法和运算程序。为此，应注意运用群论、集论、数论等数学理论，发展新的核结构模型，以便对未知的超重元素做出比较符合实际情况的预测。

其三，重视基本粒子物理学和化学中新的研究成果，加深对核力的认识，促进对核不稳定性变化规律的认识和把握。发展新的概念（如超对称性），开拓新的领域，建立四种基本作用力的统一理论，有可能对元素周期系作出新的评价。

（张道民）