从氢元素到116号元素，加上118号元素，都相继被发现。2010年，俄罗斯研究人员宣布合成117号元素，117号元素的发现填补了元素周期表中的最后一个空位。然而，通过研究这些新发现元素的性质，元素周期表很可能将失去它一贯的“规律性”。
门捷列夫与元素周期表
19世纪60年代，德米特里·门捷列夫(Dmitri Mendeleev)和其他研究人员创造了元素周期表，这是一项伟大的发明，第一次将所有已知元素进行组织分类。门捷列夫在元素周期表中留下了若干空白，并且大胆预测新元素的发现将填补这些空白。此后无数元素周期表的修订版相继出现，但任何一版都留出了有待填补的空位。直到今天，117号元素使元素周期表第一次以没有空位的形式出现。
不过，就在元素周期表的最后几块拼图即将就位时，一些更为基础的理论问题开始出现，而这些问题，可能动摇元素周期表赖以存在的理论基础——元素性质呈现出周期变化的模式(recurring patterns)，这也是元素周期表名称的由来。
门捷列夫不仅预言了当时尚未发现的未知元素的存在，还基于上述周期模式的原理准确地预测了这些未知元素的化学性质。不过，随着原子序数(即原子核内的质子数)增大，一些新增元素的性质不再遵循元素周期律(periodic law，元素性质随着原子序数的增加呈周期性变化的规律)。它们的化学性质，例如与其他原子的成键方式，不再与周期表中的同族元素相似。这是由于重核原子内电子的运动速度已经接近光速，从物理学的角度来说，就是这些电子变得“具有相对论效应”(relativistic)了，所以这类重核原子的行为变得古怪，不再像元素周期律预言的那样。此外，准确预言每个原子的轨道结构极具挑战性。因此，尽管门捷列夫创造的元素周期表已填补完整并获得巨大成功，但与此同时，它也正慢慢失去昔日对元素性质解释及预言的“力量”。
将元素周期表扩宽到50列？
自诞生以来，元素周期表已先后出现过1000多个版本，在不同的版本中，各元素在表中的位置，以及表中所包含元素的数量都不尽相同，但它们都有一个共同的特征，那就是当元素按照原子序数连续排列时(最初曾按原子质量排序)，每隔一组特定数量的元素，它们的化学性质就会重复变化。比如，若我们从锂开始，向前数8位，就会到达钠，我们发现，两者有很多相似的性质——都是柔软、可以用刀切割的金属，都能与水剧烈反应。如果我们再向前移动8位，就会到达钾，而钾同样是柔软的金属，化学性质活泼，与水极易反应。以此类推，我们还可以找到更多性质相似的元素。
在最早的元素周期表中，每个周期(即每一行)的长度总是8个元素位置。不久之后，人们发现第四、第五周期的长度应当是18个元素位置。第四、第五周期与前面周期相比多出的那块区域，被称为过渡金属(它们一般位于周期表的中间)。第六周期更长，包含32种元素，多出的14种元素被称为镧系元素(镧系元素的英文最初为lanthanides，最近更名为lanthanoids)。
从1937年开始，核物理学家通过合成手段获得新元素，他们最先得到的是锝元素。锝元素的合成填补了那时公认的、周期表的4大空白之一，这4个空缺的元素位于1号氢元素至92号铀元素之间。此后，其余3个空白也很快被填补，其中砹和钷由人工合成，钫从自然界中发现。然而在这些空白被填补之后，随着铀元素之后的新元素不断被发现，元素周期表中又留下了更多空白。
类似于镧系元素，锕、钍、镤、铀以及之后的10种元素形成了一个新的系列，即锕系元素(actinides或actinoids)。由于这两个系列元素的加入会使元素周期表显得太宽，故在标准的元素周期表中，这两个分别包含14种元素的系列被单独分块列出，置于底端。
正如20世纪上半叶科学家意识到的那样，元素性质的周期性变化根源在于量子物理学(quantum physics)，尤其是与物理学中绕核运动的电子轨道 (orbit)有关。第一周期的原子只有一种类型的轨道，我们称其为s轨道，可以容纳1～2个电子(氢原子有1个电子，氦原子有2个电子)。第二、第三周期的原子各增加一个s轨道，外加3个p轨道。由于每个轨道可以容纳1～2个电子，于是这4个轨道一共可容纳8个电子——这就是最初元素周期表中第二、第三周期长度为8的由来。第四、第五周期除了s、p型轨道外，还增加了可以容纳10个电子的d型轨道，因而将本周期长度延长至18。以此类推，元素周期表中的最后两个周期拥有s、p、d以及可容纳14个电子的f型轨道，故包含32种元素(18+14)。
117号元素合成后，元素周期表最后一行的所有元素都已各就其位。如果将来合成了更多的元素，元素周期表将开辟出一个新行来放置它们。新区域元素的加入将使现有的元素周期表扩宽到50列(别担心，化学家已经设计出了更紧密的方式来布置这样一张庞大的周期表)。
填上元素周期表所有空白看起来是对门捷列夫梦想的一种终极实现方式——如果没有阿尔伯特·爱因斯坦，还有他的狭义相对论的话。
相对论打破元素周期律？
当原子序数从低到高增大时，由于原子核内质子数增加，核电荷数也随之增大。根据狭义相对论我们知道，当核电荷数增大时，原子内层轨道电子的运动速度也会加快。这种效应引起原子内层轨道半径收缩，并且更加稳定。内层轨道的收缩继而对其余的s轨道和p轨道产生影响(knock-on effect)，包括决定元素化学性质的最外层“价”电子轨道，整个原子看起来经历了一次“瘦身”。
以上这些现象都是直接相对论效应(direct relativistic effect)的结果，简单来说，就是由核电荷数增大导致的。一方面直接相对论效应使得某些原子轨道更加稳定，但 另一方面“间接”相对论效应(indirect relativistic effect)却使d轨道和f轨道失去稳定。这是由于s电子和p电子造成了静电屏蔽(electrostatic screening)。当从离核较远处测量时，s电子和p电子所带的负电荷抵消了来自带正电的原子核的吸引，所以离原子核较远的电子受到的静电吸引不是更大，反而是更小。因此外层电子轨道应当向外膨胀，而不是向内收缩，这与上一段的描述是相悖的。
在日常生活中，一些关于元素的相对论效应是显而易见的。例如，相对论效应可以用来解释金为什么是金黄色，而在元素周期表中处于它正上方、同处d区的银却是银白色的。处于元素周期表d区的金属原子与适当波长的光子相遇时，会发生电子跃迁。金属原子吸收光子的能量，使得电子能够从d轨道跃迁至位于其正上方的s轨道。在银原子中，这两个轨道间的能级差非常大，以至于需要位于频谱紫外区的光子才能触发该跃迁。而位于可见光区的光子能量低于紫外线，只能被反射而无法被吸收，所以在我们看来，银显得光亮如镜。对于金而言，相对论效应导致的收缩一方面降低了s轨道的能级，同时还升高了d轨道的能级，使得这两个轨道间的能级差缩小。这样一来，跃迁所需的激发能降低——恰好与可见光区蓝光部分的光子能量相匹配。其他颜色区域的光子依然被反射，最终我们观察到的是缺少了蓝光的可见光，即蓝色的互补色——金黄色。
元素周期律失效了吗？
尽管相对论效应会带来一定的影响，但大部分元素(比如金元素)的性质与元素周期律的预言并不会相差太大。然而一些关于最新发现的元素化学性质的研究，开始向人们揭示元素周期律中的严重漏洞。
20世纪90年代关于(104)和(105)元素的实验已经指出，这两种元素的性质，与根据它们在元素周期表中所处位置而推测出的性质并不相符。114号元素的研究结果与理论预期的分歧也非常显著。
化学家和物理学家正努力探索112号元素的性质，是更类似于元素周期表中位于其正上方的汞元素，还是如一些相对论计算预言的更接近于惰性气体氡。然而直至今日，不同实验室得到的结果却大相径庭，有关该问题的争论依旧激烈。
而(106)和(107)元素的性质又与门捷列夫猜测的完全一致，元素周期律似乎又开始起作用了。
同时，我们还面临一个问题：元素周期表有结尾吗?若假设原子核为一没有体积的点，计算表明元素周期表的极限是137号元素;另外一些专家在计算中考虑原子核的体积，他们预测最后一号元素的原子序数为172或173。
虽然在超重元素领域失去预言的力量并不影响元素周期表剩余部分的实用性，因为这些元素的原子核都极不稳定，在它们被合成后的瞬间，就会衰变为更轻的元素。虽然如此，狭义相对论效应给元素周期律带来的扰乱，还是给了化学学科当头一棒。如果元素周期律真的被新元素打破，那么化学将在一定程度上更加依赖物理。反之，如果元素周期律依然适用，则将有助于化学学科保持相当程度的独立性。
联系客服
