互动科普

组成宇宙万物的元素

最近100多年来，人们才逐渐了解到一个不可思议的事实：我们所在的这个大千世界中的万事万物，从金木水火土到飞禽走兽、日月星辰，不过是由100多种化学元素组成的。打开元素周期表，就可以看到这100多种元素整整齐齐地排列在上面。

化学元素实际上是根据原子核所带的电荷数（称为核电荷数）对原子进行分类的一种方法。科学家把核电荷数（即质子数）相同的一类原子称为一种元素。一种元素可能会包含一系列质子数相同而中子数不同的原子核，这些原子核称为同位素，因为它们在元素周期表中所处的位置是相同的。各种元素的同位素，统称为核素。目前已发现的核素共有约3000种。

元素在元素周期表中的序号，称为原子序数，等于核电荷数。例如，我们熟悉的氢是1号，碳是6号，氧是8号，硅是14号，铁是26号。

最重的元素在哪里？

实际上，自然界中存在的元素只有90种，还有24种只能在实验室中人工合成，到目前为止得到确认的元素一共就是这114种。另外还有4种（第113、115、117、118号），虽有报道说已被合成出来，但还没有得到确认。

第92号元素铀是可以在自然界中比较稳定地存在的最重的元素，原子序数大于92的元素被称作超铀元素，这些元素都是通过人工合成的方法发现的。其中，原子序数大于等于104的元素又称作超重元素（也称超锕元素）。2012年获得正式命名的114和116号元素，以及这次被验证的115号元素，就都属于超重元素。

从门捷列夫的时代到今天，人们发现的元素的数目增加了近一倍。那么，这个数目会一直增加下去吗？元素周期表是否可以不断扩展？并不只是一般人有这样的疑问，科学家也在问着同样的问题。

理论上，元素的增加是有极限的。把中子和质子束缚在一起的是力程很短的强相互作用，即核力。由于核力的饱和性，在原子核中，核力的效应与核子数是成正比的。另一方面，由于带正电的质子间存在电斥力，这种斥力与电荷数（即质子数）的平方成正比。所以，随着质子数的增加，电荷排斥力会迅速上升，当斥力大于把核子吸引在一起的核力时，原子核就无法存在了。

核物理学家多年来一直在探索的一个基本问题就是原子核电荷和质量的上限，而这也是科学家们不断寻找质量更大、电荷更多的超重元素的动力。通过合成超重元素，从实验和理论上探索这些元素的化学性质，可以检验相对论效应对超重元素性质的影响，探寻最重元素的极限到底在哪里。北京大学物理学院的孟杰教授认为：“原子核电荷和质量的上限不仅对原子核结构，而且对理解宇宙和恒星的结构及其演化有十分重要的意义。”

 核素图

横坐标为中子数（N)，纵坐标为质子数（Z)，图中的每一个交叉点代表一种具有特定质子数和中子数的核素。图中标出的数字就是幻数。黄色区域代表已经在实验室中合成的原子核素区，绿色区域代表理论预言的原子核素区，黑色方块代表自然界中存在的稳定的和长寿命的原子核，共有300多个。

（本文发表于《科学世界》2013年第10期）