異常的第118號元素

自1869年門捷列夫（Dmitri Mendeleev）發表了第一個被廣泛認可的元素周期表以來，它便持續不斷地在演化。至今，不同版本的元素周期表數量已經超過700多個了[1]，不斷出現的新元素填補著表中的那些空塊。

19世紀末，拉姆齊（William Ramsay）為這張「元素家譜」增添了一組新的元素——惰性氣體，拉姆齊也因此獲得了1904年的諾貝爾化學獎。最近，這組元素迎來了一位新成員——Oganesson（Og），它是已知原子序數最高的元素（Z=118）[2]。這個有趣的新元素於2002年被首次合成，將元素周期表的第七行全部填滿，它也是第一個超重的（Z>103）惰性氣體元素。（第118號元素首次於2002年在實驗室中被製造，到了2016年才被正式命名為Oganesson。）

為慶祝《物理評論》創刊125周年，發現Og的論文也被選為49篇具有里程碑意義的論文之一，詳見：《125周年，物理學都取得了哪些突破性進展?》| 圖片來源：ANTOINE2K/SHUTTERSTOCK

理解Og和其他超重元素時面臨的重大挑戰就是它們短暫的半衰期和低生產率。 據估算，Og的半衰期可能小於1毫秒，這個時間對於大多數的化學觀察來說都是極度短暫的。因此，研究人員必須依靠理論預測來確定這種生命周期短暫的元素的基本屬性。

物理學家發現，這一最重元素與其它元素相比，的確非比尋常，包括了一項剛剛發表在《物理評論快報》的論文[3]。下面是5個Og的奇異性質：

1. 不尋常的殼結構

根據經典物理學得到的計算，Og的電子應該排列在原子核周圍的殼層中，與另外兩種重惰性氣體氙（Xenon）和氡（Radon）相似。但隨著原子序數的增加，愛因斯坦的狹義相對論所扮演的角色也變得越來越重要，因為內殼層電子會高速地移動，以避免「落入」原子核中。當我們將相對論效應考慮進計算中時，就會發現這一元素有多奇怪。

經典物理學（上）的模擬預測顯示Og的電子（綠）存在於核周圍的不同殼層中，與其他兩種重惰性氣體氡和氙類似。但愛因斯坦的狹義相對論（下）的模擬預測表明，Og的電子排列在一個模糊不清的區域內，與氡和氙不同。 （電子不太可能出現在藍色或紅色區域。）| 圖片來源：P. JERABEK ET AL/PRL 2018

在最新的一項研究中，來自紐西蘭奧克蘭梅西大學的 Paul Jerabek 和他的同事首次使用費米子定位來解讀Og的內部結構，這是一種用來顯示電子和核子的空間分布的常用方法（費米子定位是基於找到兩個相同類型的粒子彼此靠近的概率。Jerabek 等人利用費米子定位生成了兩個結構圖：一個用於電子系統，一個用於原子核系統）。他們發現Og內的電子和核子都具有均勻分布的特性，這與在氙和氡中看到的非均勻殼結構形成鮮明對比。

這就表明了Og具有與其他惰性氣體元素非常不同的化學和物理特性。

2. 獲得反應

Og屬於惰性氣體組，一般來說惰性氣體不與其他元素髮生反應。但由於電子分布的特別方式，使得Og是唯一既愛釋放電子又愛吸收電子的惰性元素。造成的結果可能就是Og的化學性質非常活躍。

3. 堅若磐石？

特殊的電子結構，也讓Og元素的原子會粘在一起，而不像普通氣體原子那樣相互碰撞反射。科學家認為，在室溫下，Og原子或可凝聚成固體，這與其他惰性氣體不同。

4.冒個泡兒

由於有著相同的電荷，在原子核內的質子會相互排斥，但強核力使得它們能被緊緊地束縛在一起。可Og的質子數高達118，這或許能幫助質子克服這種力量，從而在原子核中心形成一個含有少量質子的「氣泡「。實驗已經證明，「氣泡核」可在一種不穩定形式的硅中找到。

5.中子的分布

與預計中存在於Og原子核的不同殼層中的質子不同的是，Og元素的中子應該是混合的。這與其他重元素的表現並不一致，一般來說中子的分布會呈輪廓分明的環狀。

Og元素的理論預測帶來了許多令人驚訝的結果。 接下來我們需要做的是通過實驗來檢驗這些預測。俄羅斯的杜布納聯合原子核研究所正籌備在今年下半年啟用並運行一個Og實驗室，一旦能夠創造超重元素的設施得以建成，科學家就能一一檢驗對Og元素作出的諸多奇異預測了。

參考鏈接：

[1] E. R. Scerri, The Periodic Table: Its Story and Its Significance (Oxford University Press, New York, 2007)

[2] https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevC.74.044602

[3] P. Jerabek, B. Schuetrumpf, P. Schwerdtfeger, and W. Nazarewicz, 「Electron and Nucleon Localization Functions of Oganesson: Approaching the Thomas-Fermi Limit,」 Phys. Rev. Lett. 120, 053001 (2018).

[4] https://physics.aps.org/articles/v11/10#c3

[5] https://www.sciencenews.org/article/5-ways-heaviest-element-periodic-table-really-bizarre

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