門捷列夫原子量對已知元素進行排列，并注意到隨著原子量的增加，化學性質會周期性地重復出現。我們現在知道，化學性質取決于價電子的數量。每向原子核添加一個質子，價電子就會增加一個，直到電子層被填滿。盡管他不了解質子，但門捷列夫確實注意到了他的元素周期表中的空白。他正確地將這些空白解釋為尚未發現的四種元素，甚至能夠預測它們的許多屬性。

隨著時間的推移，這些元素中的三種被發現了：鈧、鎵和鍺。但是仍然缺少一種元素，就在鉬和釕之間，我們發現它必具有43個質子的原子核。七十年來，化學家一直在尋找43號元素，但在自然界中無處可尋。但它最終被發現了，但不是在自然界中。

1937年，意大利物理學家Emilio Segrè得到了一些鉬箔，這些鉬箔曾是歐內斯特·勞倫斯新發明的回旋加速器的一部分。箔在加速器中呈現放射性，Segrè 和他的Carlo Perrier能夠證明，一些鉬獲得了質子轉化為43號元素。他們以希臘語“藝術”一詞命名新元素為Technetium，中文名為锝。它是一種銀灰色金屬，化學性質介于錳和釕之間，元素周期表中位于錳之下和釕之上。

那么，當所有其他元素都可以在自然界中找到時，為什么我們必須人工生產锝呢？實際上锝也可以在自然界中產生，它是在超新星爆炸中形成的。但锝非常不穩定，以至于當地球從死星的碎屑中得到材料時，所有的锝早已消失。

元素可能不穩定的想法的一個更常見的術語是放射性，我們傾向于將其與鈾和钚等非常重的元素聯系起來。但實際上元素周期表上的任何元素都可能不穩定。更準確地說，元素周期表上的每個元素都有不穩定的同位素?！巴凰亍笔侵妇哂胁煌凶訑盗康耐辉氐牟煌姹?。

例如，一個碳原子的原子核中有6個質子。碳-12有6個中子，它非常穩定。而碳-14有8個中子，它非常不穩定，它有一個多余的中子在放出電子和中微子后轉變成質子，從而將其轉變為氮。每種元素都有不穩定的同位素，有些元素只有不穩定的同位素，較大的原子序數往往會產生較少的穩定同位素和較短的半衰期。具有超過118個質子的元素衰變得如此之快，以至于我們從未在實驗室中檢測。

事實上，穩定性取決于原子核中質子和中子之間的平衡。你可能會認為，經過一個半世紀的核物理學思考，我們已經弄清楚了所有這些規則。但實際上原子核的動力學是如此復雜，以至于需要復雜的計算機建模才能理解，然而許多謎團仍然存在。

原子核是極端力量處于微妙平衡的地方。一方面，我們有電磁力試圖將所有帶正電的質子分開，并且由于質子的距離很近，所以這種排斥力很大。另一方面，我們有更強大的核力將核子聚集在一起，它涉及在核子之間發送虛夸克包——介子。但重要的是要知道強力是短程效應，如果原子核變得太大，強力就無法將其保持在一起，各種類型的核衰變就不可避免。

強力雖然很強大，但在真正起作用的短短距離內，力量卻沒有太大的變化。然而，兩個電荷越接近，電磁力就會越強。這意味著如果質子靠得太近，電磁力可以壓倒強力，這是破壞原子核穩定性的另一種方式。這就是中子起作用的原因，它們有助于隔開質子，從而使強力強于電磁力。

對于較小的原子核（原子序數最多為 20），質子和中子的均勻分布通常是最穩定的。但對于較重的元素，需要越來越多的中子來提供緩沖，達到1.5或更高的中子與質子比。但這只是穩定性理論的一部分，它沒有解釋為什么單個中子的差異可能意味著穩定性的巨大差異，它也沒有解釋為什么锝沒有穩定同位素。

要理解這一點，我們必須超越將原子核表示為一團混亂的質子和中子的想法。我們必須將這些核子視為具有能級，就像電子一樣。高中化學課上講過的：如果一個電子殼層有八個電子，它就是穩定的。類似的，有一些可以完成核殼的幻數，中子是2、8、20、28、50、82、126，質子是 2、8、20、28、50、82、114。原子核越接近這些數字，它就越穩定。

這些幻數都是偶數，那是因為核子根據它們的量子自旋配對，向上自旋和向下自旋導致凈零自旋。這種自旋耦合意味著，即使質子或中子的數量不是幻數的，原子核仍然傾向于擁有偶數個質子，或者偶數個質子加中子。擁有未抵消自旋的質子或中子似乎不利于穩定性。

那這是否可以解釋锝的不穩定性？當然，我們可以看出43不是質子的幻數，但是它附近的奇數元素，如47個質子的銀，具有非常穩定的同位素。即使給 锝一個特定的中子數使它核子數為偶數也不濟于事，例如，锝-96會在不到一小時內衰變。所以除了中子填充、核殼填充和自旋耦合之外，似乎還有更多神秘的力量在起作用。

事實證明，沒有一套簡單的原則可以確定核穩定性。有太多因素在起作用，解決這個問題的唯一方法就是模擬原子核。我們使用密度泛函理論等計算技術在這方面取得了一些顯著的成功。這些模型仍然不完美，但它們做出了很多我們已經驗證過的預測，還有一些我們還沒有驗證過的預測，例如穩定島。

當我們將實驗數據與我們的模擬相結合時，我們可以制作這樣的圖表，在這里我們可以看到這些幻數。質子數為幻數的元素具有更穩定的同位素，而中子數接近幻數的元素往往有更多的同位素。模式出現了，但并沒有為我們提供產生穩定核所需條件的清晰規則。

那么，是否還有元素周期表上沒有的元素呢？我們的計算表明，當前元素周期表之外的質子和中子可能有更多的幻數，我們的計算機模擬也同意這個觀點。我們不確定這些幻數是多少，但顯然它們在中子184和質子126附近，它們的半衰期可能為數百萬年。

審核編輯：劉清