化学奇迹不断延展
尤里?奥加涅相领导团队合成了117号元素，现在他们正努力尝试合成下一个新元素——119号元素。
元素周期表将被打破？
117号元素的发现填补了元素周期表的最后一块空白，然而，通过研究这些新发现元素的性质，科学家却发现，元素周期表很可能将失去它一贯的“规律性”。
撰文 埃里克?谢里(Eric Scerri) 翻译 王兴勇 审校 马晶
2010年，来自俄罗斯的研究人员宣布，他们已经合成了117号元素。这种新原子还没有命名，因为科学界在为新元素命名之前，通常要先得到来自世界各地其他研究组的统一确认。不过，除非有意外出现，117号元素应该已经在元素周期表中永久地占据了一席之地。
在此之前，从氢元素到116号元素，加上118号元素，都相继被发现，而今117号元素的发现，填补了元素周期表中的最后一个空位。这一成就将被载入史册。19世纪60年代，德米特里?门捷列夫(Dmitri Mendeleev)和其他研究人员创造了元素周期表，这是一项伟大的发明，第一次将所有已知元素进行组织分类。门捷列夫也是一位俄罗斯人，他在元素周期表中留下了若干空白，并且大胆预测，有朝一日新元素的发现必将填补这些空白。在以后的日子里，无数元素周期表的修订版相继出现，但任何一版都留出了有待填补的空位。直到今天，117号元素的发现才使得元素周期表第一次以完整的面孔出现。
如果门捷列夫在天有灵，他也许会对自己的远见变成现实而欣慰不已——至少会欣慰好一阵子，直到化学家与核物理学家合成出原子序数更大的元素，元素周期表中就需要新增一行来安放它们，并且很可能还会留下更多的空白。
不过，就在元素周期表的最后几块拼图即将就位时，一些更为基础的理论问题开始出现，而这些问题，可能动摇元素周期表赖以存在的理论基础——元素性质呈现出周期变化的模式(recurring patterns)，这也是元素周期表名称的由来。
门捷列夫不仅预言了当时尚未发现的未知元素的存在，更令人惊叹的是，他基于上述周期模式的原理，准确地预测了这些未知元素的化学性质。不过，随着原子序数，即原子核内的质子数增大时，一些新增元素的性质不再遵循元素周期律(periodic law，元素性质随着元素原子序数的增加呈周期性变化的规律)。它们的化学性质，例如与其他原子的成键方式，不再与周期表中的同族元素相似。这是由于重核原子内电子的运动速度已经接近光速，从物理学的角度来说，就是这些电子变得“具有相对论效应”(relativistic)了，所以这类重核原子的行为变得古怪，不再像元素周期律预言的那样。此外，准确预言每个原子的轨道结构极具挑战性。因此，尽管门捷列夫创造的元素周期表已填补完整并获得巨大成功，但与此同时，它也正慢慢失去昔日对元素性质解释及预言的“力量”。
完满的句号？
尽管自诞生以来，元素周期表已先后出现过1000多个版本，在不同的版本中，各元素在表中的位置，以及表中所包含元素的数量都不尽相同，但它们都有一个共同的特征，那就是当元素按照原子序数连续排列时(最初曾按原子质量排序)，每隔一组特定数量的元素，它们的化学性质就会重复变化。比如，若我们从锂开始，向前数8位，就会到达钠，我们发现，两者有很多相似的性质——都是柔软、可以用刀切割的金属，都与水剧烈反应。如果我们再向前移动8位，就会到达钾，而钾同样是柔软的金属，化学性质活泼，与水极易反应。以此类推，我们还可以找到更多性质相似的元素。
在最早的元素周期表中，包括门捷列夫和其他研究人员设计的那个版本在内，每个周期(即每一行)的长度总是8个元素位置。然而不久之后，人们发现第四、第五周期的长度应当是18个元素位置。而第四、第五周期与前面周期相比，多出的那块区域，被称为过渡金属(它们一般位于周期表的中间)。第六周期更长，包含32种元素，多出的14种元素被称为镧系元素(镧系元素的英文最初为lanthanides，最近更名为lanthanoids)。
从1937年开始，核物理学家通过合成手段获得新元素，他们最先得到的是锝元素。锝元素的合成填补了那时公认的、周期表的4大空白之一，这4个空缺的元素位于1号氢元素至92号铀元素之间。此后，其余三个空白也很快被填补，其中砹和钷由人工合成，钫从自然界中发现。然而在这些空白被填补之后，随着铀元素之后的新元素不断被发现，周期表中又留下了更多空白。
美国化学家格伦?西博格(Glenn Seaborg)意识到，类似于镧系元素，锕、钍、镤、铀以及之后的10种元素形成了一个新的系列，即锕系元素(actinides或actinoids)。由于这两个系列元素的加入会使元素周期表显得太宽，故在标准的元素周期表中，这两个分别包含14种元素的系列被单独分块列出，置于底端。
正如20世纪上半叶科学家意识到的那样，元素性质的周期性变化根源于量子物理学(quantum physics)，尤其是与物理学中绕核运动的电子轨道(orbit)有关。电子轨道具有不连续的(discrete)形状和尺寸。轨道的类型，或者叫“轨函”(orbital)与原子序数无关。第一周期的原子只有一种类型的轨道，我们称其为s轨道，可以容纳1～2个电子(氢原子有1个电子；氦原子有2个电子)。第二、三周期的原子各增加一个s轨道，外加3个p轨道。由于每个轨道可以容纳1～2个电子，于是这4个轨道一共可容纳8个电子——这就是最初周期表中第二、三周期长度为8的由来。第四、五周期除了s、p型轨道外，还增加了可以容纳10个电子的d型轨道，因而将本周期长度延长至18。以此类推，元素周期表中的最后两个周期拥有s、p、d以及可容纳14个电子的f型轨道，故包含32种元素(18+14)。
当俄罗斯联合核研究所(Joint Institute for Nuclear Research)的尤里?奥加涅相(Yuri Oganessian)及其团队宣布，他们成功合成了极难捕捉的117号元素后，元素周期表最后一行的所有元素都已各就其位。元素周期表结构与原子结构间的紧密联系意味着，完成元素周期表并不纯粹是为了美学上的考虑，或是纸面上的信息梳理。118号元素是唯一一种s、p、d、f轨道上都填满电子的元素。
如果将来合成了更多的元素，元素周期表将开辟出一个新行来放置它们。119号元素最有可能第一个出现(见图)，并将开始一轮新的循环——它将同样始于最简单的s轨道。119号及120号元素将占据第八周期最前面的两个位置，但从121号元素开始，将出现一块全新的元素区域，这些元素将拥有我们此前从未遇到过的“g”轨道——至少从理论上来说是这样。像过去一样，新轨道的出现将增加可容纳的电子数目并延长这一周期的长度，即元素周期表中列的数目。这一新区域元素的加入将使现有的元素周期表扩宽到50列(别担心，化学家已经设计出了更紧密的方式来布置这样一张庞大的周期表)。
填上所有空白、获得一张完完整整的元素周期表，看起来是对门捷列夫梦想的一种终极实现方式——如果没有阿尔伯特?爱因斯坦，还有他的狭义相对论的话。
