元素周期表会永远持续下去吗？有可能被新的发现推翻吗？

源济

元素周期表会永远持续下去吗？有可能被新的发现推翻吗？

作者 / 卜仆

拍拍脑瓜，我们换一个角度思考。从「线」到「面」，再从「面」到「体」。你会发现元素周期表还有一个无限广阔的天地。

不过在此之前，请原谅我先扯一点别的事情。来说说「数字」。

数字的发展史：

自然数⇒分数⇒负数⇒无理数⇒虚数

前三个统称「有理数」，很好理解。「无理数」稍微费脑一些，但也并不是什么奇特的东西，毕竟它和有理数一样可以在同一条数轴上被描述出来。

好，重点来了。「虚数」的出现可是真的让我们头大了。

到无理数为止的所有数字都存在于同一条无限延伸的数轴上。而且这条数轴已经被挤得满满的，再也无法容纳任何其他数字了。我们把「虚数」放在哪里呢？

聪明的数学家们最终找到了解决方法。既然这根数轴被实数占满了，那我们就重新建立一根轴来排列虚数。于是出现了由实轴和虚轴组成的「复数平面」。这样一来，所有的数字都可以在坐标系中被描述出来了。

通过将数轴从「线」拓展到「面」，虚数得以被解释和认可。也因此，虚数被很多数学家认为是存在于「另一个维度」的数字。

复数平面（complex plane）是用水平的实轴与垂直的虚轴建立起来的复数的几何表示。它可视为一个具有特定代数结构笛卡儿平面（实平面），一个复数的实部用沿着 x- 轴的位移表示，虚部用沿着 y- 轴的位移表示。

好了，我们赶紧回到主题来：元素周期表。

通过上述对「数字」的探讨，我们能获得怎样的启发呢？

我们从初中就知道：在元素周期表中，原子序数=质子数（Z）

即质子的数量决定了元素的种类。也就是说，如果我们能发现或合成出质子数更多的原子核，那么元素周期表就可以继续往后延伸。我们不管它能延伸到哪里（虽然这可能是题主问这个问题的本意），但这肯定是一个一维的「线」的延伸，仅决定于一个变量：质子数（Z）。

我们平时接触的元素周期表本质上是一条由质子数（N）决定的一维数轴

但不要忘了，构成原子核的东西除了「质子」还有一个叫做「中子」的东西。对于质子数（Z）相同，中子数（N）却不同的元素，我们又该如何去表示呢？

化学家与数学家一样聪明，他们发明了一种叫「同位素」的称谓。同一种元素，虽然质子数是固定的，但它可以拥有中子数不同的同位素。这样一来，元素的数量一下子就要面临爆炸性的增长：氢变成了 H-1, H-2, H-3, …, H-7；碳变成了 C-8, C-9, C-10, …, C-22；铁变成了 Fe-45, Fe-46, Fe-47, ..., Fe-72，等等。

元素周期表本来有 118 种元素。但如果把同位素也算进去的话，科学家估摸至少得有 7300 种以上（包括约 300 种稳定核和 7000 种以上不稳定核）。而这样的扩充正类似「虚数」的导入，我们在质子数（Z）这根轴以外又增添了另一根轴：中子数（N）。于是，新版的元素周期表变成了下面这个样子：

分别以中子数 N、质子数 Z 为横轴和纵轴构成的「新元素周期表」——核素图。核素图包含了已知的稳定核、不稳定核以及未知的不稳定核。稳定核主要分布在一条狭窄的近似直线上，约有 300 种。不稳定核被认为至少存在 7000 种。

至于这张更广义的元素周期表「核素图」能延伸到多远，这将涉及到「幻数」、「稳定岛理论」等非常非常有趣的研究。本问题下鲁超老师对此进行了详细而生动的阐述，答主在其他回答中也曾提到过。这里就不再重复了。

但，这还不是本问题的结束。你相信元素周期表还能继续拓展吗？

核素图看似已经包含了构成原子核的全部要素：质子和中子。难道说我们还能再找到其他的变量？

对，但我们需要打破常规思维，另辟蹊径，寻找更刁钻的角度。比如：

如果构成原子核的根本就不是质子和中子呢？

是的。不过我们首先必须更深层次了解一下原子核。

质子和中子其实都不是构成物质的最基本粒子，它们可以继续拆分。如下图所示，质子由两个上夸克（u）和一个下夸克（d）组成；中子则是由两个下夸克（d）和一个上夸克（u）组成。

然而，夸克可并不只有 u 和 d 两种，而是存在 u,d,c,s,t,b 六种！当然，除了 u 和 d 之外，其余都是不稳定的。但从理论上来说，我们完全可以推测也许存在由其他种类的夸克构成的不同于质子或中子的粒子。

构成原子的基本结构

例如，以下是由奇夸克(s)与上夸克(u)和下夸克(d)组合而成的一些粒子，包括： 粒子(u,d,s)、 粒子(u,u,s)和  粒子(d,s,s)。如果我们将构成原子核的质子或者中子的一部分置换成这样的粒子，那就意味着与通常原子核相异的全新核物质诞生了。这种含有 、 或  等粒子的核物质被统称为「超核」。

将具有奇夸克(s)的超子（Λ、Σ、Ξ粒子）嵌入通常原子核形成「超核」的示意图

事实上，我们并不是在纸上谈兵。含有上述奇异粒子的“超核”已经通过 J-PARC 质子加速器等方式被实际合成出来了。以  超核为例，简单说来有两个步骤：①加速质子束撞击靶原子核（金），这时会生成π介子与 K 介子。②选出含有 s 夸克的 K 介子。用 K- 介子撞击目标原子核，此时 K- 介子中的 s 夸克可能与原子核中子里的 d 夸克发生交换，这时就生成了同时含有 s,d,u 夸克的  粒子，于是超核就诞生了。而撞击的 K- 介子失去 s 夸克，得到 d 夸克生成的π- 介子。观测到 K-⇒π- 的变化就是成功得到  粒子的证据。

超核的“制作”方法

迄今为止，科学家已经在地球上合成出了包含 1 个  的超核 39 种，包含两个  的超核 3 种，以及包含  和  的超核各一种。比如，现在我们不仅拥有 C-12, C-13, C-14 我们还有 C-12(Λ), C-13(Λ), C-14(Λ)；除了 N-14, N-15, N-16，还存在 N-14(Λ), N-15(Λ), N-16(Λ)・・・

这意味着用代表质子数（Z）和中子数（N）的两根轴描绘的二维元素周期表已经不够用了。我们必须引入第三根轴来表示「超核」。于是乎，三维立体版的元素周期表诞生了：

包含超核的 3D 核素图

你以为故事到这里就结束了吗？

更神奇的事情还在继续。

不得不说我们人类能制造出超核已经很棒了。但是，这些粒子如果在加速器中生成的话，只能稳定存在 1 皮秒（10 的负 12 次方秒，或 1 万亿分之一秒）。

然而有一个地方，却可能存在着形形色色的奇异物质，而且它们还十分稳定。那个地方就是——中子星。

中子星是大质量恒星发生超新星爆发后留下的残余物。你可以想象一下这个半径仅为 10 多公里，质量却与太阳相当的圆球是个密度多么巨大的物体（中子星内一块方糖大小的物质重量可达 10 亿吨以上）。在如此强大的压力下，那些不可能存在于地球的物质在这里却变成了常态。

中子星的地壳是由原子核与中子物质以各种形式混合而成的具有类似「意大利面」结构的简并态物质，其硬度可达钢铁的 100 亿倍；地壳之下，中子星的外核部分被认为几乎是由超流体状态的中子物质组成（质子和电子已经反应生成了中子和逃逸掉的中微子）。要知道，不在原子核内的中子，通常只能存在十几分钟。然而这样的中子却是中子星的最主要成分；再往深处，我们来到中子星的内核。科学家推测，内核中可能充满了刚才提到的由各种夸克组成的奇异核物质。在这里，3D 核素表的第 3 轴数据可以大大拓展；而在最中心部， 打破夸克禁闭（即夸克不能单独存在）、以「色超导状态」存在的「夸克物质」（夸克 - 胶子等离子体）则在理论上被预言存在。这样的物质是当今物理学所能允许存在的最极限状态的事物。

构成中子星的几乎所有物质可以说都是人类从未见识过的新事物。中子星简直就是一张不知道维度更不知道尽头的「奇异元素周期表」。

中子星内部结构推测示意图