新研究用相對論量子化學解釋元素周期表

元素周期表示意圖。（ShutterStock）

【大紀元2021年03月02日訊】（大紀元記者高文森編譯報導）化學元素周期表是科學家對自然世界化學元素按照某種特性排布的方式，因此相鄰的元素具有類似的特性，以遞增或遞減的趨勢排列。

例如，碳元素是構成人類肉體的主要元素之一，所以很多科幻小說裡面，作家幻想的外星人體內含大量的硅元素——碳和硅在人們最熟悉的化學元素週期表裡，位於同一列。

當然，任何一種元素布局方式也會出現特性上的偏差。比如，鉛和錫也位於同一列，按說它們也有相似的特性。可是，現在廣泛使用的汽車電池只聽說有鉛蓄電池，沒聽說過錫蓄電池。科學家現在了解到，這是因為相對論量子化學（relativistic quantum chemistry）規律在起作用。這個領域在科學家編排這張元素周期表的時候，還是個未知的理論。

相對論量子化學同時使用量子化學和相對論力學來解釋元素的性質與結構，特別是對於元素周期表中的重元素。由於質量較大的緣故，相對論對它們的影響是不可忽略的。但是這在以前是難以研究的領域，因為很多重元素在核聚變反應中逐個地產生，並且很快衰變。

隨著現代新材料的發展，掌握以相對論化學特性排布各種元素的特性規律變得越來越重要。重元素的這一特性在大量領域有創新的用途。即使是相對輕一些的元素，比如鉛和金，它們的這一特性也能開發出新的用途。

2月15日發表於《自然·化學》（Nature Chemistry）期刊的一份研究，日本大阪大學（Osaka University）的研究人員探索了化學元素鑪（Rutherfordium），如何與兩種常見鹼基反應。鑪是一種人工合成的放射性元素，不出現在自然界中，但可以在實驗室內產生。

他們嘗試讓鑪元素與氫氧化物鹼或胺鹼反應，了解相對論化學規律所起的作用。結果發現，「鑪與任何濃度的氫氧化物鹼都可以生成沉澱化合物，但是與同系物鋯和鉿只能在高濃度條件下形成。這可能就是相對論化學規律產生的影響。」研究稱，這樣的實驗可以幫助科學家了解相對論化學規律對更多元素的影響。

現在已經了解的其它一些相對論化學規律的影響還包括，為什麼大量的黃金不是銀色的，與現在元素週期表特性推理的結果不同；又如，為什麼汞金屬在室溫下是液態，也不符合現在週期表的推理。

研究人員表示，超重金屬還有很多受到相對論化學影響的特性等待研究探索。要想開發創新的應用，首先要對這個未知特性的總體規律有較好的了解，才能對更多元素做出預測，並挑選其中有用的個案進行針對性研究。

責任編輯：葉紫微