出品：科普中國

作者：Denovo

監制：中國科普博覽

一提到化學，可能大部分人腦海里都會自動出現一連串令人眼花繚亂的復雜方程式，甚至“談化學色變”。其實，化學并沒有這么可怕，它距離我們的日常生活也非常近。從我們每天吸入的氧氣和呼出的二氧化碳、“多喝熱水”和泡腳養生，到佩戴的各種飾品、駕駛或乘坐的各種交通工具等等，都有化學的“蹤跡”。可以說，物質世界就是由化學元素所構成的。

自1869年俄國著名化學家門捷列夫提出元素周期律以來，現包括天然元素及人造元素，已有記錄元素共計118個。當科學家們反復審視這張元素周期表時，也更多地開始思考，是否存在一個神秘的0號元素呢？

從原子的結構說起

中學時期，我們就曾經學過，原子由原子核和核外電子組成，是化學反應中的最小單位。其中，原子核由質子和中子通過強相互作用力（質子和中子間獨有的吸引力）結合組成。

質子的個數直接關系到元素本身的化學性質，原子核中的質子個數則是區分元素種類的重要標志。相同質子數代表著同種元素，相同質子數和中子數的元素稱為一種核素，相同質子數不同中子數的元素互稱為同位素。

原子結構

（圖片來源：作者自繪）

被人熟知的1號元素——氫元素

相信大家對于元素周期表中的1號元素——氫元素，都并不陌生。在自然界中，氫元素含量豐富。人類生活必需的水，就是由氫元素和氧元素兩種元素所組成的。

在氫核素中豐度最高的是僅由一個質子和一個核外電子組成的1H，此外再添加一個中子就得到了同位素氘2H，氘是氫彈的主要原材料。由于1H原子核中沒有中子的存在，因此當1H原子失去核外電子時，氫離子也就等同于游離的質子。當大量氫離子存在于水中，水溶液便會產生酸性，這便是酸在水中電離的過程。

舉個例子，我們都知道的是，很多酸具有強腐蝕性，就算是生活中常見的調味料食醋，也可以和水垢、鐵釘等發生化學反應，這就是質子化學性質最基本的體現。

氫氣分子示意圖

（來源：pixabay.com）

0號元素真的存在嗎？

乍聽0號元素，很多人可能會一頭霧水。化學書上寫的不是“氫氦鋰鈹硼，碳氮氧氟氖”嗎？難道是我的記憶出現了混亂？不用慌！其實，元素周期表里也沒有0號元素。那么，這個神秘的0號元素究竟是個啥？

元素周期表中沒有，并不代表0號元素就不存在。既然沒有中子的質子可以單獨作為一個元素，那么沒有質子的中子為什么不可以呢？質子個數不同代表著元素種類的不同，那么，沒有質子的元素，即0號元素，也被稱為中子元素。

早在20世紀初，物理學家安德羅波夫就將自由中子命名為“0號元素”，并將其置于元素周期表中起始位——氦元素的正上方，意為質子數量最少的元素，并用符號Nu表示。

不過，除了少數討論核素或同位素的情況外，其他情況下并不將0號元素列入元素周期表內。因此，我們在元素周期表中沒見過0號元素，也很正常。

中子星

（圖片來源：pixabay.com）

衰老的恒星促成0號元素的誕生

0號元素源于恒星的衰老過程，衰老的恒星自身坍塌時會造成極大的壓力，將氫元素核外電子壓入質子內部，從而形成電中性的中子粒子。其結構并不穩定，自由的中子半衰期只有十分鐘左右，在常壓環境下，會重新變成質子并釋放反電子中微子。

因此，目前0號元素最主要存在于質量極大的中子星內部。正是這種高壓的環境，該粒子才得以穩定存在。現階段在常態環境下，我們很難探索0號元素的化學性質。

四中子系統

（圖片來源: www.nature.com）

雖然我們無法在常態下得到中子，但在20年前，已有科學研究表明可能存在四中子的無電荷核系統。不過，當時的儀器設備誤差較大，學界內對于該實驗結果存在較大爭議。

但是，隨著科學技術的不斷進步，近期已有報道稱，四中子的無電荷核系統可以存在，這也是首次獲得四中子核系統存在的確鑿實驗證據。目前，關于0號元素相關性質的研究仍處于探索階段，這些研究將對于宇宙起源、亞原子結構等領域起到重要的推動作用。

問題來了，既然0號元素是存在的，那么會不會也存在其他元素周期表中所沒有記錄到的新元素呢？

元素周期表是否會新增元素呢？

原子核內部復雜的相互作用是原子核穩定存在的重要因素。根據計算，隨原子序數的不斷增加，以原子序數26的鐵元素為界限，元素穩定性先增大后減小。也就是說，如果將所有元素排成一行的話，哪個元素距離鐵元素越遠，其穩定性就越差。

近代新元素的發現更多集中在原子序數大于110的超重元素，這些超重元素可以通過原子對撞的方式人工合成，具有放射性且壽命較短。2010年，117號元素被合成之后，元素周期表第七周期正式填滿。之后十余年時間，科學家在對于第八周期元素的探索道路上從未停止腳步。

然而，由于超重元素的不穩定性，目前為止還尚未有第八周期的新元素被IUPAC承認。不過，研究人員表示，通過對微觀粒子相互作用進行更系統的研究后，相信在將來可以提出新的合成方法，以實現到達超重元素“穩定島”，構建第八周期元素。到那個時候，開辟元素周期表新紀元指日可待。

參考文獻：

【1】Labarca M. An element of atomic number zero?[J]. New Journal of Chemistry, 2016, 40(11): 9002-9006.

【2】Marqués F M, Labiche M, Orr N A, et al. Detection of neutron clusters[J]. Physical Review C, 2002, 65(4): 044006.

【3】Duer M, Aumann T, Gernh?user R, et al. Observation of a correlated free four-neutron system[J]. Nature, 2022, 606(7915): 678-682.

來源: 中國科普博覽

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