元素周期表，这一有序排列着 118 个已知化学元素的图表，在化学领域占据着举足轻重的地位。其排列方式是按照原子序数（也就是原子核中的质子数）从左到右、从上到下依次递增，通常这也与原子质量的增加相契合。

周期表的这种组织形式蕴含着关于元素结构与性质的诸多关键信息。接下来，让我们一同深入了解一下它是如何在 150 多年前被创制出来的，以及为何直至今日它依旧被广泛运用。

说起元素周期表的 “缔造者”，当属俄罗斯化学家和发明家 —— 门捷列夫。据英国皇家化学学会所述，在 19 世纪 60 年代，门捷列夫乃是俄罗斯圣彼得堡一所大学备受欢迎的讲师。彼时，尚无现代有机化学教科书的俄文版本，于是门捷列夫决意撰写一本。就在他着手创作那部《化学原理》（共两卷，1868 - 1870 年出版）之际，他同时也在着手解决元素排列混乱的难题。

当时，要对元素进行排序绝非易事。已知的化学元素仅有 63 个，而且每个元素的原子量都是依据阿伏伽德罗假设计算得出的，该假设指出，在相同的温度和压力条件下，等体积的气体所含分子数量相同。

那时对这些元素进行分类主要有两种策略：要么将其划分为金属和非金属两类，要么依照元素的价电子数（即最外层电子）来分组。就门捷列夫所著书籍的第一部分而言，仅涉及八个已知元素 —— 碳、氢、氧、氮、氯、氟、溴和碘，对于这几个特定元素，上述两种策略还算行之有效。然而，这对于当时另外 55 个已知的化学元素来说，却远远不足以实现有效分类。

因此，按照英国皇家化学学会的说法，门捷列夫将每个元素的性质逐一写在卡片上，随后开始按照原子量递增的顺序对它们进行排列。也正是在这个过程中，他察觉到了原子量与化学性质之间存在着某种关联。

不过，究竟是怎样的一个 “灵光乍现” 时刻促使门捷列夫确定了完整的周期表排序策略，至今依旧是个未解之谜。正如迈克尔・D・戈丁在其著作《一个井然有序的事物：德米特里・门捷列夫和周期表的阴影》（普林斯顿大学出版社，2018 年修订版）中所写：“要重现门捷列夫依据元素原子量进行周期性组织的过程，实在是难上加难。从历史学家的角度来看，问题在于，尽管门捷列夫在自认为会声名远扬之后保留了几乎所有的文件和草稿，但在提出周期律之前，他却并未如此行事。”

戈丁还进一步阐述道：“门捷列夫从认识到原子量作为一种出色的分类工具的重要性，到最终拟定出一个周期系统，大致有两种基本途径：要么他依照原子量顺序依次写出元素，并留意到周期性的重复规律；要么他先将几个‘自然组’的元素，如卤素和碱金属进行组合，然后观察到其重量增加的模式。” 门捷列夫唯一已知的与他的方法相关的声明是在 1869 年 4 月，他写道，他 “收集了原子量最低的物体，并按照它们原子量增加的顺序进行排列”。

无论其思维过程究竟如何，门捷列夫最终依据原子量和价电子完成了对元素的排列。他不仅为尚未被发现的元素预留了位置，还对其中五个元素及其化合物的性质做出了预测。1869 年 3 月，他向俄罗斯化学协会展示了这些研究成果。同年晚些时候，他所创制的新周期系统以摘要形式发表在德国化学期刊《Zeitschrift fϋr Chemie》（化学杂志）上。

周期表涵盖了大量重要信息，其中最为关键的当属原子序数、原子符号以及原子质量。

原子序数：原子核内的质子数即为元素的原子序数。质子的数量决定了该元素的本质，进而影响其化学行为。例如，碳原子始终含有六个质子，氢原子则仅有一个，氧原子永远是八个。同一元素的不同版本，也就是同位素，其所含中子数量可能有所不同。而且元素还能通过获得或失去电子而带电，此时它们便被称作离子。

原子符号：原子符号（亦称为元素符号）是用来代表某个元素的缩写形式，比如碳用 “C” 表示，氢用 “H” 表示，氧用 “O” 等。这些符号在国际上通用，不过有时也会让人颇感意外。例如，钨的符号是 “W”，这是因为该元素的另一个名称是 wolfram；金的原子符号是 “Au”，源于拉丁语中金的词汇 “aurum”。

原子质量：元素的标准原子量是其平均质量，以原子质量单位（amu）来计量。尽管每个原子的原子质量单位大致为整数，但我们会发现周期表上所标注的原子质量却是小数，这是因为该数值是基于它们在自然界中的丰度对各种同位素进行加权平均后得出的。

对于某些人造元素的原子质量而言，情况则略显复杂。像 93 - 118 号元素，这些均为实验室制造的超铀元素（铀元素之后的元素，铀的原子序数为 92），按照洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）的说法，它们并无 “自然” 丰度。对于这些元素，周期表上所列出的是其寿命最长的同位素的原子量，依据国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）的规定，这些原子量应被视作临时性的，因为未来有可能会产生寿命更长的新同位素。

超重元素，也就是原子序数在 104 以上的元素，同样属于这类非自然生成的范畴。通常情况下，原子核越大（随着内部质子数量的增加而增大），元素就越不稳定。因此，这些庞大的元素存在时间极为短暂，往往在衰变成更轻的元素之前仅能持续几毫秒。例如，超重元素 113、115、117 和 118 在 2015 年 12 月得到了 IUPAC 的验证，从而完成了周期表上的第七行或周期。这些超重元素是由多个不同的实验室制造出来的，它们的原子序数、临时名称以及正式名称分别如下：113：ununtrium (Uut)，鉨（Nh）115：ununpentium (Uup)，镆（Mc）117：ununseptium (Uus)，石田（Ts）118：ununoctium (Uuo)，奥加森（Og）

元素周期表是依照原子量和价电子来进行排列的。凭借这两个变量，门捷列夫得以将每个元素准确地放置在特定的行（被称作周期）和列（被称作族）之中。该表格由七行和十八列构成。

每一行，即周期的数量，代表着该行元素的电子轨道数。（原子是由位于其核内的质子和中子，以及围绕核呈轨道状排列的电子所组成的。轨道描述了电子的位置及其波状行为。）这意味着第三周期的所有元素 —— 钠、镁、铝、硅、磷、硫、氯和氩 —— 其电子可在三个原子轨道内分布。

列，也就是族，则表示原子最外层壳的电子数量，这些电子被称作价电子，它们能够与其他元素的价电子通过共价键共享，或者通过离子键进行交换。例如，8A 组（或 VIIIA）的所有元素在最高能量轨道中都拥有一组完整的八个电子。占据周期表同一列（即 “族”）的元素具有相同的价电子配置，因而化学行为也较为相似。比如，所有 18 组元素均为惰性气体，意味着它们不会与其他元素发生反应。

不过，在过渡元素中存在一些例外情况，这些元素填充在周期表中心的较短列内。它们拥有部分填充的 d 轨道，这也造就了它们独特的属性，从而将它们与主要填充 s 和 p 轨道的主族元素区分开来。

我们不妨举个例子来进一步说明：以硒为例，其原子序数为 34，这表明硒的中性原子中总共含有 34 个电子。这个非金属元素位于第 4 周期、第 6A 组。这意味着硒会将其电子分布在四个原子轨道中，并且拥有六个价电子，也就是其最外层轨道中有六个电子。我们还能计算出它在第一个、第二个和第三个轨道中分别有多少电子：第一个轨道最多可容纳两个电子，第二个轨道有四个亚轨道，总共可容纳八个电子，而原子的第三个壳由九个亚轨道组成，最多可容纳 18 个电子。所以，硒在其第一、第二、第三和第四个原子轨道中分别有 2、8、18 和 6 个电子。

当门捷列夫在 1869 年首次发表原始周期表时，其中仅包含 63 个元素，大约仅为如今数量的一半。他在表格中预留了空白位置，以便为尚未发现的元素留出空间，并且门捷列夫还利用这些空白位置对潜在新元素的性质进行了预测。其中一个例子便是他所提及的 “eka-aluminium”，这是一个被提议的具有与铝相似性质的元素。几年之后，这个元素被确认为镓，其性质与门捷列夫的预测极为相似。

自 19 世纪以来，已知元素的数量几乎翻了一番。这些新发现的元素逐渐填补了门捷列夫原始设计上的空白，使得周期表得以扩展至更高的原子序数。到了 2010 年代，随着 117 号元素石田的合成，周期表上的所有空白最终被正式填补。

从理论上讲，随着化学家不断合成越来越重的元素，周期表或许永远都不会完整。这些人造元素是通过粒子加速器制造出来的，其原理是将原子和亚原子粒子相互撞击，从而产生带有额外质子和中子的原子核。然而，这些超重元素极不稳定，制造难度颇高。正如密歇根州立大学的核物理学家 Witold Nazarewicz 对史密森尼杂志所言：“我们真的不知道可能存在的最重元素是什么。”

如今，通过了解周期表中归为一类的某些元素所具备的特定特性和行为，科学家们能够推断出哪些元素最适合应用于某些行业和生产过程。例如，工程师们会利用表格中 III 和 V 组的不同元素组合来研发新的半导体合金，如氮化镓（GaN）和氮化铟（InN），这是依据国家标准与技术研究所（NIST）的相关研究。

一般而言，化学家和其他科学家能够借助周期表来预测某些元素之间将会如何发生反应。比如，碱金属位于表格的第一列或组，它们通常仅有一个价电子，因此带有 +1 的电荷。这一电荷特性使得它们 “与水反应剧烈，且易于与非金属结合”，正如化学家 Anne Marie Helmenstine 在 ThoughtCo 上所描述的那样。又如，镁与钙位于同一组，如今镁正逐渐成为骨植入物合金的一部分，据 NIST 介绍，由于这些合金具有可生物降解的特性，它们能够作为支架，待自然骨骼在结构上生长完善后便会自行消失。

即便历经了一个多世纪，元素周期表依旧是科学领域最为关键的工具之一，它不仅将所有已知元素有序地组织成一个连贯的结构，而且还为预测和合成新元素以及推动化学创新提供了一份路线图。

在探索新元素的征程中，科学家们近期在创造一个名为 “元素 120” 的超重元素方面取得了一定进展。这个元素的原子量极大，倘若能够成功创制出来，它的原子或许会代表一个 “稳定岛”，这极有可能会给重元素化学领域带来翻天覆地的变革。

目前，元素周期表上已列出了 118 个已知元素，从核内仅有一个质子的氢，一直到 2016 年正式命名的 oganesson，后者的原子中心至少包含 294 个亚原子粒子（118 个质子和至少 176 个中子）。

然而，研究人员深知，理论上宇宙中应当存在更重的元素 —— 他们甚至已经对这些元素的模样以及其行为表现做出了预测。但要找到它们，要么需要在地球上探寻新的合成方法，要么就得在太阳系中寻觅它们可能存在的位置。

在众多潜在元素候选者中，元素 119（暂命名为 ununennium）和元素 120（aka unbinilium）是最具希望的两个。这两个元素的质量过于庞大，以至于它们无法被安置在构成周期表的七行之中的任何一行。倘若它们能够被成功创制出来，将会被添加到这个标志性图表的新第八行当中。不过，尽管科研人员已经进行了多次尝试，但这两个元素至今仍未被成功合成。

在一项新的研究中，研究人员展示了一种创造超重元素 Livermorium（元素 116）的新技巧，即通过用钛的蒸汽离子（也就是带电的原子）去轰击含有额外中子的钚同位素钚 - 244。

研究人员认为，同样的技术或许可以用来创造 unbinilium，也就是通过向比钚更重的 californium 的同位素发射钛离子。这项新的研究无疑是一个重要的概念验证，它将助力科学家们进一步加强对这种假想元素的搜寻。

正如加州劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）的核科学家、该研究的主要作者 Jacklyn Gates 在一份声明中所说：“这种反应以前从未被证明过，在我们尝试制造元素 120 之前，证明它是可能的至关重要。创造一个新元素是一项极为罕见的成就。成为这个过程的一部分并拥有一个有希望的前进道路是令人兴奋的。”

不过，要创造出 unbinilium 可能还需要相当长的一段时间。在这项研究中，伯克利实验室的 88 英寸回旋加速器机器在持续向钚同位素发射钛离子的过程中，花费了超过 22 天的时间才成功创造出两个 Livermorium 原子。而据伯克利实验室的核科学家、该研究的共同作者 Reiner Kruecken 在声明中表示：“我们认为制造元素 120 将比制造元素 116 花费大约 10 倍的时间。这不容易，但现在看来是可行的。”

通常情况下，超重元素一旦形成便会迅速分解，因为它们极度不稳定。然而，研究人员预测，一旦元素达到一定大小，它们将会抵达一个 “稳定岛”，在那里它们将比目前已知的超重同位素保持更长时间。

预计 unbinilium 将会抵达这个稳定岛，这意味着它的创造将为研究超重元素开辟一系列的可能性。不过，也存在着这种假想元素不会如预期那样表现的可能性。

正如伯克利实验室的核科学家、该研究的共同作者 Jennifer Pore 在声明中所言：“当我们试图制造这些难以置信的稀有元素时，我们正站在人类知识和理解的绝对边缘，没有保证物理学会按照我们预期的方式工作。”