元素周期表外还有稳定的元素吗

门捷列夫原子量排列已知元素，并注意到伴随着原子量的增加，化学性质会周期性重复现在我们知道，化学性质取决于价电子的数量原子核每增加一个质子，价电子就增加一个，直到电子层被填满尽管门捷列夫不知道质子，但他确实注意到了元素周期表中的空白他正确地将这些空白解释为尚未被发现的四种元素，甚至预言了它们的许多属性

伴随着时间的推移，发现了其中的三种元素:钪，镓和锗但是仍然缺少一种元素，就在钼和钌之间我们发现它必须有一个由43个质子组成的原子核七十年来，化学家们一直在寻找43号元素，但在自然界中却找不到它但最终还是被发现了，但不是在自然界

1937年，意大利物理学家埃米利奥·塞格雷得到了一些钼箔，它们曾经是欧内斯特·劳伦斯新发明的回旋加速器的一部分箔片在加速器中具有放射性，塞格雷和他的卡洛·巴黎水可以证明一些钼获得了质子，可以转化为43号元素他们用希腊语艺术和中文锝来命名新元素锝它是一种银灰色金属，化学性质介于锰和钌之间，在元素周期表中低于锰，高于钌

那么，在自然界中可以找到所有其他元素的情况下，我们为什么还要人工制造锝呢其实锝在自然界也是可以产生的它是在超新星爆炸中形成的但是锝是如此的不稳定，以至于当地球从死星的碎片中获得这种物质时，所有的锝都已经消失了

元素可能是不稳定的这一观点的一个更常见的术语是放射性，我们倾向于把它与非常重的元素如铀和钚联系起来但实际上，元素周期表上的任何元素都可能是不稳定的更准确地说，周期表中的每一种元素都有不稳定的同位素同位素是指同一种元素的不同版本，具有不同数量的中子

例如，一个碳原子的原子核中有六个质子碳12有六个中子，非常稳定另一方面，碳—14有八个中子，非常不稳定它有一个额外的中子，在释放电子和中微子后转化为质子，从而将其转化为氮气每个元素都有不稳定同位素，有的元素只有不稳定同位素原子序数越大，产生的稳定同位素越少，半衰期越短质子数超过118的元素衰变速度如此之快，以至于我们从未在实验室中检测到它们

事实上，稳定性取决于原子核中质子和中子之间的平衡你可能会认为，经过一个半世纪的核物理思考，我们已经搞清楚了所有这些规则但事实上，原子核的动力学如此复杂，需要复杂的计算机建模才能理解，但许多谜团仍然存在

原子核是极端力处于微妙平衡的地方一方面，我们有电磁力试图分离所有带正电的质子，由于质子之间的距离很近，这种斥力很大另一方面，我们有更强的核力将核子聚集在一起，这涉及到在核子之间发送虚拟夸克包——介子但是要知道强力是短程效应如果原子核变得太大，强大的力也无法把它保持在一起，各种类型的核衰变就不可避免了

虽然动力很强，但是真正起作用的时候在短距离内变化不大可是，两个电荷越接近，电磁力就越强这意味着如果质子靠得太近，电磁力可以压倒强力，这是破坏原子核稳定性的另一种方式这就是中子工作的原因它们有助于分离质子，从而使质子的强度大于电磁力

对于较小的原子核，质子和中子的均匀分布通常是最稳定的但对于较重的元素，需要越来越多的中子来提供缓冲，中子质子比达到1.5或更高但这只是稳定性理论的一部分没有解释为什么单个中子的差异可能意味着稳定性的巨大差异，也没有解释为什么锝没有稳定同位素

为了理解这一点，我们必须超越把原子核看成是质子和中子的混合体的想法我们必须把这些原子核看作是有能级的，就像电子一样高中化学课上说过，如果一个电子层有八个电子，那它就是稳定的同样，也有一些幻数可以完成核壳中子是2，8，20，28，50，82，126，质子是2，8，20，28，50，82，114原子核离这些数字越近，就越稳定

这些幻数是偶数，那是因为核子是根据它们的量子自旋配对的，向上和向下的自旋导致净零自旋这种自旋耦合意味着，即使质子或中子的数量不为幻，原子核仍然倾向于具有偶数个质子，或者偶数个质子加中子自旋未得到补偿的质子或中子似乎对稳定性有害

这能解释锝的不稳定性吗当然，我们可以看到43并不是质子的幻数，但是它附近的奇元素，比如有47个质子的银，都有非常稳定的同位素即使给锝一个特定的中子数，使其原子核数为偶数，也无济于事例如，锝—96将在不到一小时内衰变所以除了中子填充，核壳填充和自旋耦合，似乎还有更神秘的力量在起作用

事实证明，没有一套简单的原则来确定核稳定有太多的因素在起作用，解决这个问题的唯一方法就是模拟原子核通过使用计算技术，如密度泛函理论，我们已经在这个领域取得了一些显著的成功这些模型仍然不完美，但它们做出了许多我们已经验证过的预测，还有一些我们尚未验证的预测，比如稳定岛

当我们将实验数据与我们的模拟相结合，我们可以制作这样一个图表，在这里我们可以看到这些神奇的数字质子数为幻数的元素有更多的稳定同位素，而中子数接近幻数的元素往往有更多的同位素模型已经出现，但它并没有为我们提供产生稳定原子核所需条件的明确规则

那么，有没有不在周期表上的元素呢我们的计算表明，当前周期表之外的质子和中子可能有更多的幻数，我们的计算机模拟也同意这一观点我们不确定这些幻数是什么，但显然它们在中子184和质子126附近，它们的半衰期可能是几百万年