元素周期表的創(chuàng)立及其三次重要拓展

2024-09-14匯報人：元素周期表的創(chuàng)立及其三次重要拓展元素周期表的第二次拓展元素周期表的第一次拓展摘要致謝參考文獻結(jié)語摘要01

元素分類先驅(qū)1789年，法國化學(xué)家拉瓦錫開創(chuàng)元素分類先河，列出當時已知的33種元素圖表，采用“一維”表示法，為元素研究奠定基礎(chǔ)。三素組發(fā)現(xiàn)1817年，德國化學(xué)家多勃雷納發(fā)現(xiàn)“三素組”，中間元素性質(zhì)介于首尾之間，原子量接近平均數(shù)，共識別五組。元素體系早期模1862年，法國地質(zhì)學(xué)家夏庫特瓦制作了元素組織體系的早期模型，為后續(xù)元素周期表的完善提供了重要參考。元素分類的早期探索VS俄羅斯化學(xué)家門捷列夫在前人基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)元素性質(zhì)隨原子質(zhì)量變化的周期性規(guī)律，即“元素周期律”，并于1869年公布了首張元素周期表。元素周期表誕生元素周期表揭示了元素間的內(nèi)在聯(lián)系，構(gòu)建了元素自然分類的完整體系，即“化學(xué)元素周期表”，成為化學(xué)領(lǐng)域具有里程碑意義的成果。元素周期律發(fā)現(xiàn)元素周期律的偉大發(fā)現(xiàn)預(yù)言與驗證門捷列夫在周期表中預(yù)留空位，并正確預(yù)言21、31、32號元素的性質(zhì)；隨后Sc、Ga、Ge相繼發(fā)現(xiàn)，驗證了周期律的正確性，被化學(xué)家接受。1894-1898年間，惰性氣體Ar、Kr、Ne、Xe被接連發(fā)現(xiàn)；1900年，鐳射氣Rn的發(fā)現(xiàn)使元素周期律面臨挑戰(zhàn)，因其位置難以在周期表中確立。針對挑戰(zhàn)，門捷列夫提出在周期表引進一個附加縱列，形成“零族”，鞏固了周期律理論，引領(lǐng)了新的認識飛躍，使新元素探索更具自覺性。元素周期律的發(fā)現(xiàn)是19世紀科學(xué)突破，隨后原子模型與量子理論揭示其本質(zhì)，即元素性質(zhì)周期性源于核外電子層結(jié)構(gòu)，特別是最外層電子排布。周期律面臨挑戰(zhàn)周期表新認識飛躍周期律本質(zhì)揭示對未知元素的正確預(yù)言門捷列夫智慧應(yīng)對周期表上找不到惰性氣體的位置，門捷列夫提出開辟一條“走廊”，增添一個“零族”，構(gòu)成新的認識飛躍，鞏固周期律理論。元素周期律面臨挑戰(zhàn)1894-1898年間，惰性氣體Ar、Kr、Ne、Xe被接連發(fā)現(xiàn)，1900年鑒別出鐳射氣Rn，元素周期律理論受到嚴峻挑戰(zhàn)。周期律本質(zhì)元素周期律的發(fā)現(xiàn)是19世紀科學(xué)家取得的重大突破，原子模型的建立和量子理論的解釋才深刻揭示了元素周期律的本質(zhì)。周期律經(jīng)受住嚴峻挑戰(zhàn)元素周期表的第一次拓展02鈾和釷于1789年和1828年分別在自然界礦物中發(fā)現(xiàn)，門捷列夫?qū)⑺鼈兣帕性谥芷诒碜钕潞妥詈蟮奈恢?，鈾是原子量最重的元素。鈾和釷的發(fā)現(xiàn)倫琴發(fā)現(xiàn)X射線后，貝克勒爾發(fā)現(xiàn)鈾及其化合物具有放射性，瑪麗·居里進一步研究，發(fā)現(xiàn)釷也具放射性，并命名為“放射性”。放射性的發(fā)現(xiàn)鈾和釷的放射性發(fā)現(xiàn)輸入標題居里夫婦的發(fā)現(xiàn)居里夫人的假設(shè)瑪麗·居里發(fā)現(xiàn)瀝青鈾礦和銅鈾云母的放射性遠超鈾和釷含量預(yù)期，于是假設(shè)礦物中含有未知新元素，其放射性更強。居里夫婦因研究天然放射性現(xiàn)象與發(fā)現(xiàn)放射性的貝克勒爾共享1903年諾貝爾物理獎，因分離鐳的成功再獲1911年諾貝爾化學(xué)獎。居里夫婦經(jīng)過4年努力，從2噸瀝青鈾礦殘渣中制得0.1克純鐳，通過測量確認了釙和鐳的存在，證明了這些元素的實體存在。居里夫婦放下手頭工作，與皮埃爾共同分離新元素，從瀝青鈾礦中找出兩種放射性組分，定名釙和鐳，分別在鉍和鋇組分中。居里夫婦的榮譽釙和鐳的確認新元素釙和鐳的發(fā)現(xiàn)要點三放射元素的發(fā)現(xiàn)1899年至1940年間，德比爾納、哈恩等科學(xué)家從礦石中提取了多種天然放射性元素，包括錒、鏷、鈁、砹等，豐富了周期表。要點一要點二天然放射系發(fā)現(xiàn)了3大天然放射系，釷系、鈾系和錒系，其母體核素分別是232Th、238U和235U，具有足夠長的半衰期，在自然界中存在多代子體核素的蹤跡。核素的穩(wěn)定三種核素均以生成穩(wěn)定的鉛同位數(shù)208Pb、206Pb和207Pb而告終，這一發(fā)現(xiàn)進一步證明了放射性元素在自然界中的穩(wěn)定性和重要性。要點三其他天然放射性元素的發(fā)現(xiàn)放射性元素的發(fā)現(xiàn)震撼了科學(xué)界，引發(fā)人類對宇宙認識和知識更新的一場偉大變革。放射性的發(fā)現(xiàn)化學(xué)家和物理學(xué)家利用放射性輻射，向原子核內(nèi)部的微觀世界探索，展開了一系列實驗。放射性探索通過實驗，取得了多項重大發(fā)現(xiàn)，包括人工核轉(zhuǎn)變、中子的發(fā)現(xiàn)、人工放射性的實現(xiàn)等。重大發(fā)現(xiàn)哈恩和斯特拉斯曼發(fā)現(xiàn)鈾核裂變，梅特納和弗里希提出裂變概念，鏈式反應(yīng)實現(xiàn)，開啟原子能利用時代。鏈式反應(yīng)放射性發(fā)現(xiàn)的重大意義元素周期表的第二次拓展03元素周期表的空位1925年時，元素周期表還剩下四個空位，包括43號(Tc)、61號(Pm)、85號(At)和87號(Fr)，它們一度被認為是自然界中的“失蹤元素”。1932年回旋加速器的發(fā)明和1942年原子反應(yīng)堆的建成，開辟了人工合成元素的新時代，使得Tc(锝)成為第一個被發(fā)現(xiàn)的人造元素。Tc(锝)是第一個被發(fā)現(xiàn)的自然界不存在的人造元素，而At(砹)和Pm(钷)分別通過加速器轟擊靶材產(chǎn)生，Pm(钷)則在鈾裂變產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)。Fr(鈁)其實是天然存在的，是錒系家屬的一部分，只是之前被忽略了；這樣看來，鈾前人造元素實際上只有锝和钷兩種元素。人工合成元素的時代锝和钷的發(fā)現(xiàn)鈁的發(fā)現(xiàn)鈾前人造元素的發(fā)現(xiàn)VS第一個超鈾元素在1940年由麥克米倫在核裂變研究中發(fā)現(xiàn)，他觀察到具有β放射性的核素239U，其子體可能是93號元素同位素(239Np)。93號與94號元素的合成阿伯爾森通過化學(xué)手段分離和鑒定了93號元素，而西博格等人用氘核轟擊鈾產(chǎn)生了94號元素，并以其命名海王星和冥王星。超鈾元素的發(fā)現(xiàn)超鈾元素镎和钚的發(fā)現(xiàn)錒系的確認西博格認為錒系應(yīng)退回到釷開始，包含14種元素，并以錒為原型；根據(jù)新概念，實驗順利合成了95號Am和96號Cm，化學(xué)性質(zhì)與Eu和Gd相似。西博格提出錒系概念西博格在1944年基于超鈾元素合成的經(jīng)驗，提出了“錒系概念”，認為這些元素在周期表中發(fā)生了錯位，并斷言它們構(gòu)成了新的內(nèi)過渡系（5f系）。錒系理論的完善103號元素鐒的合成標志著錒系的完整，而104號和105號元素的化學(xué)性質(zhì)研究表明它們不屬于錒系，從而最終確定了錒系概念（后稱為錒系理論）。西博格提出的“錒系概念”西博格提出錒系概念，將超鈾元素列入鑭系類似的第二系列，完善周期表體系，具有重大前沿研究價值。人工合成元素吉奧索和弗廖洛夫小組在20世紀50-70年代競相合成錒系后元素，采用熱熔合方法，合成了104—106號元素。錒系后元素合成西博格因超鈾元素貢獻獲1951年諾貝爾化學(xué)獎，后吉奧索等人發(fā)現(xiàn)的106號元素被IUPAC命名為“seaborgium”。西博格獲獎科學(xué)家為合成Z>102元素，需使用重轟擊粒子實現(xiàn)“跳躍”，多國建立重離子加速器。重離子加速器西博格提出的“錒系概念”西博格修訂周期表1945年西博格修訂周期表，將93號镎和94號钚列入錒系，完善現(xiàn)代元素周期表體系，具有重大前沿研究價值。重離子加速器的建設(shè)多國建立重離子加速器，包括美國LBNL的HILAC、蘇聯(lián)Dubna的回旋加速器、德國GSI的SHIP等，以合成超重元素。中國蘭州重離子加速器中國科學(xué)院近代物理研究所的蘭州重離子加速器(HIRFL)在1988年建成并出束，加速重離子以進行核反應(yīng)研究。西博格獲獎與元素命名西博格因超鈾元素貢獻獲1951年諾貝爾化學(xué)獎，后IUPAC將106號元素命名為“seaborgium”，符號為Sg。西博格修訂的周期表熱熔合合成元素元素合成研究元素發(fā)明權(quán)熱熔合方法是用較輕的重離子作彈核(12C—22Ne)，與錒系元素作靶核，生成復(fù)合核，由于激發(fā)能較高(～50MeV)，蒸發(fā)4n(n表示中子)以上才退激發(fā)。錒系后元素的合成研究是由伯克利的吉奧索小組和杜布納聯(lián)合核子研究所的弗廖洛夫小組競相進行的，采用熱熔合方法。104號Rf(盧)和106號Sg(喜)由吉奧索小組單獨擁有發(fā)明權(quán)，而105號Db(杜)的發(fā)明權(quán)則由吉奧索小組和弗廖洛夫小組共同分享?！盁崛酆稀焙铣稍豓S2012年IUPAC將114號和116號元素分別命名為Fl(夫)和Lv(立)，而2016年又核準發(fā)布4種最新人造元素的英文名稱和元素符號。新元素中文命名全國科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會在征集新元素中文命名后，于2017年5月宣布將最新四個人造元素命名為Nh(爾)、Mc(鏌)、Ts(石田)和Og()。超重元素的命名“熱熔合”合成超重元素探索原子核存在的極限新合成的超重元素半衰期短，量少，但合成意義重大，可以探索原子核存在的極限，確定元素周期表的邊界。超重元素的合成實驗和理論研究已成為核物理和核化學(xué)的前沿領(lǐng)域和研究熱點，是對“核的殼層模型”理論的再次檢驗。元素周期表的邊界，根據(jù)量子電動力學(xué)，最重核元素的原子序數(shù)Z是137或172，超過后，核電荷強大，K層電子被俘獲，電子層結(jié)構(gòu)崩潰。高Z元素存在的極限取決于核外電子層的穩(wěn)定性和原子核本身的穩(wěn)定性，目前的理論預(yù)測下一個雙滿殼可能存在于質(zhì)子數(shù)為164、中子數(shù)為318的核中。檢驗殼層模型理論量子電動力學(xué)推測高Z元素存在的極限關(guān)于元素周期表邊界結(jié)語04元素周期表拓展自門捷列夫初創(chuàng)元素周期表63種自然元素起，歷經(jīng)40年天然放射性發(fā)現(xiàn)，80年人造元素合成，將周期表邊界從92號推進到118號。人造元素占比人造元素總計28種，含280多種放射性同位素和34種同質(zhì)異能素，占元素總量24%，包括鈾前元素2種，超鈾元素26種。結(jié)語參考文獻05[1]GhiorsoA，SeaborgGT.AHalfCentryofSyntheticElements，ProceedingoftheDiscoveryofElementsSymposium.Belgium，Sept.17—20，1996[2]HoffmanDC，GhiorsoA.SeaborgGT.TheTransuraniumPeo-ple.London：ImperialCollegePress，2000參考文獻[3]蔡善鈺.同位素，2008，21(4)：241[4]蔡善鈺著，王方定、張煥喬、趙葵主審.人造元素.上海科學(xué)普門捷列夫的元素周期律和西博格的錒系理論,不僅為我們開辟了合成錒系及錒系后元素的道路,而且正指引我們跨越“不穩(wěn)定海峽”，登上超重元素穩(wěn)定島。近年來一批超重核的合成更增添了科學(xué)家的信心，可以確信：一幅更加充實、更為壯觀的未來元素周期表將呈現(xiàn)于本世紀(圖3)！參考文獻蘊藏著巨大能量的超重核的陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，必將給人類帶來更大驚喜！[5]朱裕貞、顧達、黒恩成編著.現(xiàn)代基礎(chǔ)化學(xué)(第三版).化學(xué)工業(yè)出版社，2017[6]Nature，2019，565：535.DOI：10.1038/d4