铹——这种由化学家创造的、本不存在于自然界的元素，到底属于元素周期表的哪个位置？这一直是学界争论的焦点，而最近，一项新的实验结果又将这一争论推上风口浪尖。

撰文 戴维·卡斯特维奇（Davide Castelvecchi）

翻译 丁家琦

审校 吴兰

铹是第103号元素，位于元素周期表中f区的末尾。

物理学家对人工放射性元素铹（lawrencium）——位于元素周期表中f区末尾的第103号元素——进行了最新测量，而测量的结果可能会点燃一场奇妙的争论：这个元素到底应该处在周期表上的哪个位置？更有意思的是，争论的战火甚至会蔓延到周期表本身的结构是否合理上。

在2015年4月9日的Nature上，一个由物理学家与化学家组成的国际研究团队发表论文（Measurement of the first ionization potential of lawrencium, element 103，http://www.nature.com/nature/journal/v520/n7546/full/nature14342.html）， 他们测量了铹原子失去最外层的一个电子而变成离子所需要的能量——即“第一电离能”。测试结果出乎研究者的意料：这个能量非常之小。铹元素是一种放射性元 素，自然中并不存在，人工合成也只能得到一点点，并且几秒钟之后就会消失，所以，科学家对其完成的这次测量堪称化学领域的杰作。

铹元素的英文写做lawrencium，以发明回旋加速器的物理学家Ernest Lawrence命名。迄今为止，在我们能够测量到第一电离能（first ionization energy）的元素中，铹元素是最重的一个。测量第一电离能有助于研究者了解原子的化学性质，但在此之前，科学家最多只能测量到99号元素锿 （einsteinium）的第一电离能。

超重原子

为了制造铹元素，日本东海的日本原子能机构（JAEA）的研究者将硼（boron）原子打到一个用锎（californium）原子制成的“靶”上（锎本身也是人工同位素），每几秒钟就可以制造出一个铹-256原子，它有103个质子和153个中子，半衰期约为27秒。

研究人员用碘化镉的喷雾捕捉到了这些原子，并将其沉积在加热到2 700开尔文的金属表面上。这么高的温度足以将一些铹原子最外层的一个电子“脱下”，而只要数出有多少个原子按这种方式发生电离，就能得到铹原子电离一个 电子所需的能量（即第一电离能）。JAEA的化学家Tetsuya Sato说，这个能量出乎意料地低，仅为4.96电子伏特，这在整个元素周期表中排倒数第5。

实验显示，铹的最外层电子被束缚得很“松”，跟周期表最左一栏的元素（如钠和钾）类似，这也与文章的共同作者、以色列特拉维夫大学（Tel Aviv University）研究者的理论预测相符合。这意味着，铹元素到底该处于周期表的什么位置，似乎又要引起一番争论。
锕系元素之争

为了描述元素的最外层电子排布，周期表被划为不同的栏与分区。根据元素电子轨道的不同类型，元素被分在s区、p区、d区和f区。所谓电子轨道，是指围绕着原 子核的电子最有可能占据的一片“云”一样的空间区域。区域的性状可以通过量子力学计算出来：s轨道呈圆形，p轨道成哑铃状，其他轨道就更复杂了。元素失去 与得到最外层电子的难易，标志着该元素发生化学反应的活性——这就是为什么周期表中同一竖栏的元素的化学性质往往类似的原因。

有些化学家 认为，铹元素（以及位于它正上方的“亲戚”镥，lutetium，简写为Lu）的化学性质与周期表d区最左侧的钪（Sc）和钇（Y）相似，因此应该把它放 在钪和钇的下面，归d区。但是，大多数标准的周期表并没有这么做：它们将铹放在镧系和锕系两列元素的最后。镧系和锕系共包含两行、共30个元素，大多数周 期表将这两行元素作为附件，放在整个表的底部。而其他的一些周期表，包括化学界最权威的学会——国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）官方提供的周期 表，则认为整个f区（即镧系和锕系元素）都应当隶属于钪和钇下方的两个位置，完全是d区的一部分。

不管d区和f区之争如何，实验和数值模 拟都显示，铹原子的最外层电子占据的是哑铃形的p轨道。课本上可能会讲“这一元素的p轨道未被占据”，但因为铹的内层电子运动速度很快（接近光速！），狭 义相对论产生的层叠效应使该p轨道能量降低。在其他的超重元素，例如钅喜（seaborgium）上也发现了类似的效应。

f-d之争

Nature这 篇论文的作者认为，他们的研究确认了铹元素应该属于f区中的锕系：“如此低的电离势完美地支持了这一想法，”Matthias Schädel说。在于上周退休之前，他一直领导着JAEA的超重原子研究小组。从20世纪80年代开始，他就投身于证明铹元素与f区元素性质相似的前沿 实验中了。

但美国辛辛那提大学的William Jensen则认为，该实验结果推出的结论恰恰相反：他指出，大多数锕系元素的第一电离能都比它们上方的镧系元素高，但铹的第一电离能却比它上方的镥要低，这与其他的锕系元素都不同，更像是d区元素。在发表于3月21日的《化学基础》（Foundations of Chemistry）杂志中，他详尽阐述了将铹放到d区的理由。而 Sato觉得，他的团队计算出来的第一电离能既不能证明铹应该在f区，也不能证明它在d区。IUPAC无机化学部的主席Jan Reedijk也表示，IUPAC对镥和铹的分区暂时还没有官方的意见。刚刚发表的这篇论文，可能会帮助大家重拾对这个问题的讨论，他也补充说，在今年夏 天举行的国际会议中，IUPAC可能也会把这个问题加入议题之中。

Jensen说，许多在实验室埋头搬砖的化学家甚至都没有意识到这个问题，但这是不对的。身为化学家，关注化学元素周期表是否正确和一致是应该做的事。