門捷列夫原子量對已知元素進行排列，并注意到隨著原子量的增加，化學(xué)性質(zhì)會周期性地重復(fù)出現(xiàn)。我們現(xiàn)在知道，化學(xué)性質(zhì)取決于價電子的數(shù)量。每向原子核添加一個質(zhì)子，價電子就會增加一個，直到電子層被填滿。盡管他不了解質(zhì)子，但門捷列夫確實注意到了他的元素周期表中的空白。他正確地將這些空白解釋為尚未發(fā)現(xiàn)的四種元素，甚至能夠預(yù)測它們的許多屬性。

隨著時間的推移，這些元素中的三種被發(fā)現(xiàn)了：鈧、鎵和鍺。但是仍然缺少一種元素，就在鉬和釕之間，我們發(fā)現(xiàn)它必具有43個質(zhì)子的原子核。七十年來，化學(xué)家一直在尋找43號元素，但在自然界中無處可尋。但它最終被發(fā)現(xiàn)了，但不是在自然界中。

1937年，意大利物理學(xué)家Emilio Segrè得到了一些鉬箔，這些鉬箔曾是歐內(nèi)斯特·勞倫斯新發(fā)明的回旋加速器的一部分。箔在加速器中呈現(xiàn)放射性，Segrè 和他的Carlo Perrier能夠證明，一些鉬獲得了質(zhì)子轉(zhuǎn)化為43號元素。他們以希臘語“藝術(shù)”一詞命名新元素為Technetium，中文名為锝。它是一種銀灰色金屬，化學(xué)性質(zhì)介于錳和釕之間，元素周期表中位于錳之下和釕之上。

那么，當(dāng)所有其他元素都可以在自然界中找到時，為什么我們必須人工生產(chǎn)锝呢？實際上锝也可以在自然界中產(chǎn)生，它是在超新星爆炸中形成的。但锝非常不穩(wěn)定，以至于當(dāng)?shù)厍驈乃佬堑乃樾贾械玫讲牧蠒r，所有的锝早已消失。

元素可能不穩(wěn)定的想法的一個更常見的術(shù)語是放射性，我們傾向于將其與鈾和钚等非常重的元素聯(lián)系起來。但實際上元素周期表上的任何元素都可能不穩(wěn)定。更準確地說，元素周期表上的每個元素都有不穩(wěn)定的同位素?！巴凰亍笔侵妇哂胁煌凶訑?shù)量的同一元素的不同版本。

例如，一個碳原子的原子核中有6個質(zhì)子。碳-12有6個中子，它非常穩(wěn)定。而碳-14有8個中子，它非常不穩(wěn)定，它有一個多余的中子在放出電子和中微子后轉(zhuǎn)變成質(zhì)子，從而將其轉(zhuǎn)變?yōu)榈?。每種元素都有不穩(wěn)定的同位素，有些元素只有不穩(wěn)定的同位素，較大的原子序數(shù)往往會產(chǎn)生較少的穩(wěn)定同位素和較短的半衰期。具有超過118個質(zhì)子的元素衰變得如此之快，以至于我們從未在實驗室中檢測。

事實上，穩(wěn)定性取決于原子核中質(zhì)子和中子之間的平衡。你可能會認為，經(jīng)過一個半世紀的核物理學(xué)思考，我們已經(jīng)弄清楚了所有這些規(guī)則。但實際上原子核的動力學(xué)是如此復(fù)雜，以至于需要復(fù)雜的計算機建模才能理解，然而許多謎團仍然存在。

原子核是極端力量處于微妙平衡的地方。一方面，我們有電磁力試圖將所有帶正電的質(zhì)子分開，并且由于質(zhì)子的距離很近，所以這種排斥力很大。另一方面，我們有更強大的核力將核子聚集在一起，它涉及在核子之間發(fā)送虛夸克包——介子。但重要的是要知道強力是短程效應(yīng)，如果原子核變得太大，強力就無法將其保持在一起，各種類型的核衰變就不可避免。

強力雖然很強大，但在真正起作用的短短距離內(nèi)，力量卻沒有太大的變化。然而，兩個電荷越接近，電磁力就會越強。這意味著如果質(zhì)子靠得太近，電磁力可以壓倒強力，這是破壞原子核穩(wěn)定性的另一種方式。這就是中子起作用的原因，它們有助于隔開質(zhì)子，從而使強力強于電磁力。

對于較小的原子核（原子序數(shù)最多為 20），質(zhì)子和中子的均勻分布通常是最穩(wěn)定的。但對于較重的元素，需要越來越多的中子來提供緩沖，達到1.5或更高的中子與質(zhì)子比。但這只是穩(wěn)定性理論的一部分，它沒有解釋為什么單個中子的差異可能意味著穩(wěn)定性的巨大差異，它也沒有解釋為什么锝?jīng)]有穩(wěn)定同位素。

要理解這一點，我們必須超越將原子核表示為一團混亂的質(zhì)子和中子的想法。我們必須將這些核子視為具有能級，就像電子一樣。高中化學(xué)課上講過的：如果一個電子殼層有八個電子，它就是穩(wěn)定的。類似的，有一些可以完成核殼的幻數(shù)，中子是2、8、20、28、50、82、126，質(zhì)子是 2、8、20、28、50、82、114。原子核越接近這些數(shù)字，它就越穩(wěn)定。

這些幻數(shù)都是偶數(shù)，那是因為核子根據(jù)它們的量子自旋配對，向上自旋和向下自旋導(dǎo)致凈零自旋。這種自旋耦合意味著，即使質(zhì)子或中子的數(shù)量不是幻數(shù)的，原子核仍然傾向于擁有偶數(shù)個質(zhì)子，或者偶數(shù)個質(zhì)子加中子。擁有未抵消自旋的質(zhì)子或中子似乎不利于穩(wěn)定性。

那這是否可以解釋锝的不穩(wěn)定性？當(dāng)然，我們可以看出43不是質(zhì)子的幻數(shù)，但是它附近的奇數(shù)元素，如47個質(zhì)子的銀，具有非常穩(wěn)定的同位素。即使給 锝一個特定的中子數(shù)使它核子數(shù)為偶數(shù)也不濟于事，例如，锝-96會在不到一小時內(nèi)衰變。所以除了中子填充、核殼填充和自旋耦合之外，似乎還有更多神秘的力量在起作用。

事實證明，沒有一套簡單的原則可以確定核穩(wěn)定性。有太多因素在起作用，解決這個問題的唯一方法就是模擬原子核。我們使用密度泛函理論等計算技術(shù)在這方面取得了一些顯著的成功。這些模型仍然不完美，但它們做出了很多我們已經(jīng)驗證過的預(yù)測，還有一些我們還沒有驗證過的預(yù)測，例如穩(wěn)定島。

當(dāng)我們將實驗數(shù)據(jù)與我們的模擬相結(jié)合時，我們可以制作這樣的圖表，在這里我們可以看到這些幻數(shù)。質(zhì)子數(shù)為幻數(shù)的元素具有更穩(wěn)定的同位素，而中子數(shù)接近幻數(shù)的元素往往有更多的同位素。模式出現(xiàn)了，但并沒有為我們提供產(chǎn)生穩(wěn)定核所需條件的清晰規(guī)則。

那么，是否還有元素周期表上沒有的元素呢？我們的計算表明，當(dāng)前元素周期表之外的質(zhì)子和中子可能有更多的幻數(shù)，我們的計算機模擬也同意這個觀點。我們不確定這些幻數(shù)是多少，但顯然它們在中子184和質(zhì)子126附近，它們的半衰期可能為數(shù)百萬年。

審核編輯：劉清