重整你的元素週期表
"新元素的發現與合成，填補了化學元素週期表中的空缺，然而完整的週期表，卻失去了原有的「週期」規律！ "
撰文／塞利（Eric Scerri）
翻譯／王心瑩
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重點提要
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2010年，俄羅斯的研究人員宣佈，他們率先合成出第117號元素的原子核。這種新型的原子尚未命名，因為科學界有個傳統，在真正命名為新元素之前，要等待另一方的獨立驗證。然而不會有意外了，117目前已在元素週期表上佔據不變的地位。
所有的元素，從1到116，加上118，在此之前都已經發現，因此117填補了週期表底部那一橫排的最後一個空位。這項成就代表著歷史上一個獨特時刻。門得列夫（也是俄國人）和其他人於1860年代創造出週期表時，那是科學史上首次把所有元素整理成序的偉大表格。門得列夫在他的表格上留了好幾個空格，並且做了大膽的猜測：終有一天會有人發現一些新元素能夠填補這些空格。後來又出現許多種形式的週期表，但所有的表格都有空格，直到現在，有了第117號元素，週期表第一次填補完整了。
門得列夫在天之靈很可能對自己的遠見終於實現而沾沾自喜，至少可以持續好一會兒，直到化學家和核子物理學家合成出後續的幾個元素，又需要為週期表增加新的幾個橫排、可能要預留幾個新的空位為止。
然而，即使這張拼圖的最後幾個小塊終於落定，但有些更基礎的問題開始浮現，而這會撼動週期表背後最根本的存在根基：讓週期表之所以有「週期」之名的循環模式。
門得列夫不僅預測了未知元素的存在，更引人注目的是，他正確推測出各種元素的化學性質，依據的便是這種循環模式。然而隨著原子序（原子核內的質子數）逐漸增加，有些新增的元素不再表現出週期定律所預測的性質；也就是說，它們的化學交互作用，例如與其他原子所形成的鍵結方式，變得與表中同一直欄的其他元素不一樣了。原因在於，環繞在最重原子核外圍的一些電子已達到相當於光速的層級，以物理學術語來說，它們已具有「相對論性」，使原子的化學性質變得與週期表所預期的不一樣；此外，要預測每個原子的軌域結構如何擴展排列也變得極度困難。於是，即使門得列夫創造的週期表已經填滿，看似得到成功，卻也開始失去其解釋和預測的能力。
填補完整，卻不完美
至今我們可以找到超過1000種的週期表形式，也許是元素排列方式不同，或者每一排所包含的元素不一樣，然而它們都有一項共同的基本特色。若以連續方式來排列元素，也就是根據其原子數（最早是以原子量來排列），則每每經過特定的一系列元素後，它們的化學性質就會反覆出現。舉例來說，如果從鋰（Li）開始，向前移動8個位置，就會到達鈉（Na），它與鋰擁有許多相似的性質：都是軟金屬，軟到可以用刀子切開，而且都會和水產生劇烈反應。如果繼續向前移動8個位置，到達的是鉀（K），鉀也很軟，並容易與水反應，依此類推。
在最早的週期表中，不論是門得列夫或其他人所設計，每一週期的長度（即每一橫排的長度）永遠是8個元素。然而大家很快就發現，第四和第五週期並非8個元素重複一次，而是18個；為了與之對應，週期表的第四和第五橫排會比原本表格寬得多，以便容納多出來的元素（即過渡元素，在常見的週期表中位於正中央）。結果第六週期又變得更長，包含32個元素，因為中間包含另一系列的14個元素，稱為鑭系元素。
1937年，核子物理學家開始以人工方法合成新元素，最早是鎝（Tc）。當時的週期表從1號氫（H）延續到92號鈾（U），而鎝填補了表中四個空白處之一。其他三個失落的元素也很快就補齊了，
（At）和
（Pm）這兩個是人工合成，第三個
（Fr）則是在自然界尋得。但即使這些空白處填補起來，新的發現又為週期表在鈾的後面增添元素，也產生新的空位。
美國的化學家西博格（Glenn Seaborg）意識到，錒（Ac）、釷（Th）、鏷（Pa）加上鈾，以及接續的10個元素，其實是一個新系列的部份元素，它們就像鑭系元素一樣，總共包含14個元素，此即後來所知的錒系元素。（這兩個系列多出來的元素，讓週期表變得更寬，因此標準週期表把這兩個包含14個元素的系列獨立出來，放在表格最底下。）
在20世紀前半葉，科學家意識到元素的週期性質來自於量子物理學，特別是電子如何環繞原子核運行的物理學。電子的軌道會形成各種形狀和大小的不連續階層。原子序較大的原子，會與原子序較小的原子擁有一些相同的軌道形式（稱為「軌域」），只是再多增加一些新的軌域。第一週期只有一種形式的軌域，稱為s軌域，可以容納一或兩個電子（氫有一個電子，氦有兩個）。第二和第三週期各會增加一個s軌域，也各外加三個稱為p的新軌域。同樣的，這四個軌域各自可以容納一到兩個電子，於是最多容納八個電子，也因此最早的週期表是每個週期包含八個元素。第四和第五週期除了有s和p軌域外，還有第三種軌域，稱為d軌域，可為電子增添10個位置，於是讓這兩個週期擴展到18個元素。最後兩個週期則擁有s、p、d外加f軌域，長度變成32個元素（18+14）。
等到奧加涅席恩（Yuri Oganessian）與同事在莫斯科附近的聯合核子研究所（Joint Institute for Nuclear Research）宣佈合成出奇妙的117號元素，週期表最後一橫排的所有元素確定全數到位。週期表結構與原子結構之間的密切關聯，顯示週期表的完成不僅是純粹美學方面的議題，也不只是在紙上統整資訊而已。118號元素是s、p、d、f軌域全部填滿電子的唯一元素。
如果有更多的元素合成出來，它們會排列於週期表的全新一個橫排。接下來最可能出現的是119號元素（參見上方〈不斷成長的化學寶庫〉），將會開啟一個新的週期，也再增加最簡單的s軌域。119號元素和接續的120號元素會佔據第八週期的最前面兩個位置，但是121號元素將開啟一組全新的系列，至少原則上是這樣，因為它們會擁有以前從未出現過的g軌域。如同以往，新軌域為電子增加新的可能位置，於是讓週期增長、欄數變多。這一組元素將使週期表的寬度多達50欄（不過化學家已為不斷擴增的表格設計出比較簡潔的表示法了）。
每一橫排都填滿元素的完整週期表，似乎能讓門得列夫的夢想達到最終的實現。而它也可能已經達成，如果沒有愛因斯坦的狹義相對論的話……
