一提到化学，可能大部分人脑海里都会自动出现一连串令人眼花缭乱的复杂方程式，甚至“谈化学色变”。其实，化学并没有这么可怕，它距离我们的日常生活也非常近。从我们每天吸入的氧气和呼出的二氧化碳、“多喝热水”和泡脚养生，到佩戴的各种饰品、驾驶或乘坐的各种交通工具等等，都有化学的“踪迹”。可以说，物质世界就是由化学元素所构成的。自1869年俄国著名化学家门捷列夫提出元素周期律以来，现包括天然元素及人造元素，已有记录元素共计118个。当科学家们反复审视这张元素周期表时，也更多地开始思考，是否存在一个神秘的0号元素呢？从原子的结构说起中学时期，我们就曾经学过，原子由原子核和核外电子组成，是化学反应中的最小单位。其中，原子核由质子和中子通过强相互作用力（质子和中子间独有的吸引力）结合组成。质子的个数直接关系到元素本身的化学性质，原子核中的质子个数则是区分元素种类的重要标志。相同质子数代表着同种元素，相同质子数和中子数的元素称为一种核素，相同质子数不同中子数的元素互称为同位素。被人熟知的1号元素——氢元素相信大家对于元素周期表中的1号元素——氢元素，都并不陌生。在自然界中，氢元素含量丰富。人类生活必需的水，就是由氢元素和氧元素两种元素所组成的。在氢核素中丰度最高的是仅由一个质子和一个核外电子组成的1H，此外再添加一个中子就得到了同位素氘2H，氘是氢弹的主要原材料。由于1H原子核中没有中子的存在，因此当1H原子失去核外电子时，氢离子也就等同于游离的质子。当大量氢离子存在于水中，水溶液便会产生酸性，这便是酸在水中电离的过程。举个例子，我们都知道的是，很多酸具有强腐蚀性，就算是生活中常见的调味料食醋，也可以和水垢、铁钉等发生化学反应，这就是质子化学性质最基本的体现。0号元素真的存在吗？乍听0号元素，很多人可能会一头雾水。化学书上写的不是“氢氦锂铍硼，碳氮氧氟氖”吗？难道是我的记忆出现了混乱？不用慌！其实，元素周期表里也没有0号元素。那么，这个神秘的0号元素究竟是个啥？元素周期表中没有，并不代表0号元素就不存在。既然没有中子的质子可以单独作为一个元素，那么没有质子的中子为什么不可以呢？质子个数不同代表着元素种类的不同，那么，没有质子的元素，即0号元素，也被称为中子元素。早在20世纪初，物理学家安德罗波夫就将自由中子命名为“0号元素”，并将其置于元素周期表中起始位——氦元素的正上方，意为质子数量最少的元素，并用符号Nu表示。不过，除了少数讨论核素或同位素的情况外，其他情况下并不将0号元素列入元素周期表内。因此，我们在元素周期表中没见过0号元素，也很正常。衰老的恒星促成0号元素的诞生0号元素源于恒星的衰老过程，衰老的恒星自身坍塌时会造成极大的压力，将氢元素核外电子压入质子内部，从而形成电中性的中子粒子。其结构并不稳定，自由的中子半衰期只有十分钟左右，在常压环境下，会重新变成质子并释放反电子中微子。因此，目前0号元素最主要存在于质量极大的中子星内部。正是这种高压的环境，该粒子才得以稳定存在。现阶段在常态环境下，我们很难探索0号元素的化学性质。虽然我们无法在常态下得到中子，但在20年前，已有科学研究表明可能存在四中子的无电荷核系统。不过，当时的仪器设备误差较大，学界内对于该实验结果存在较大争议。但是，随着科学技术的不断进步，近期已有报道称，四中子的无电荷核系统可以存在，这也是首次获得四中子核系统存在的确凿实验证据。目前，关于0号元素相关性质的研究仍处于探索阶段，这些研究将对于宇宙起源、亚原子结构等领域起到重要的推动作用。问题来了，既然0号元素是存在的，那么会不会也存在其他元素周期表中所没有记录到的新元素呢？元素周期表是否会新增元素呢？原子核内部复杂的相互作用是原子核稳定存在的重要因素。根据计算，随原子序数的不断增加，以原子序数26的铁元素为界限，元素稳定性先增大后减小。也就是说，如果将所有元素排成一行的话，哪个元素距离铁元素越远，其稳定性就越差。近代新元素的发现更多集中在原子序数大于110的超重元素，这些超重元素可以通过原子对撞的方式人工合成，具有放射性且寿命较短。2010年，117号元素被合成之后，元素周期表第七周期正式填满。之后十余年时间，科学家在对于第八周期元素的探索道路上从未停止脚步。然而，由于超重元素的不稳定性，目前为止还尚未有第八周期的新元素被IUPAC承认。不过，研究人员表示，通过对微观粒子相互作用进行更系统的研究后，相信在将来可以提出新的合成方法，以实现到达超重元素“稳定岛”，构建第八周期元素。到那个时候，开辟元素周期表新纪元指日可待。References Labarca M. An element of atomic number zero?[J]. New Journal of Chemistry, 2016, 40(11): 9002-9006. Marqués F M, Labiche M, Orr N A, et al. Detection of neutron clusters[J]. Physical Review C, 2002, 65(4): 044006. Duer M, Aumann T, Gernhäuser R, et al. Observation of a correlated free four-neutron system[J]. Nature, 2022, 606(7915): 678-682.

元素周期表你能背诵几位？如果你让一位初中同学背诵元素周期表，他通常会这样回答：“氢氦锂铍硼碳氮氧氟氖钠镁铝硅磷硫氯氩钾钙......”。没错，元素周期表是从氢开始的，氢是宇宙中含量最多的元素，也是元素周期表的一号元素，氢的原子核中有一个质子。质子的数量是元素拥有不同性质的决定因素，所以原子核中质子数量被称为原子序数。原子核中通常也含有一个或一个以上的中子，氢的同位素氕除外，氕的原子核只有一个质子，没有中子。那么问题来了，宇宙中存在没有质子只有中子的元素吗？氢是元素周期表中的一号元素零号元素的争议“0元素”这个词是德国物理学家安德烈·冯·安德罗波夫在1926年发明的，尽管当时还没有中子的概念，但安德罗波夫认为这种元素的质子数量有可能比氢还要少，所以他把它放在了元素周期表氢元素的前边，称之为零号元素。主流科学家们认为不存在质子的元素它其实就是中子，只有带正电的质子才能吸引电子从而构成一种稳定的物质，而单一的中子并不能称其为元素。所以在正式的科学论文中，你很难找到“0元素”这样的表述，反倒是科幻小说中反复提及，它代表着宇宙中密度极大的中子星。中子星安德罗波夫最开始将零号元素放在元素周期表中氢元素的上方，后来的科学家认为这样的排列不严谨，我们知道元素周期表的第一列堿金属的最外层电子数为1，零号元素没有质子，所以它的外层不应该有电子绕核运转，所以将其挪到了氦元素的上方。短命的自由中子通常情况下，中子都被严格束缚在原子核中，通过强力作用与质子绑定在一起，一旦它获得了自由，便成了“短命鬼”。自由中子会发生β衰变，变身为质子，同时释放一个电子和一个反电子中微子。自由中子的平均寿命大约是14分42秒，其半衰期只有10分11秒。质子与中子的区别自由中子的衰变特性是天生的，因为中子是由两个下夸克和一个上夸克组成，在脱离原子核强相互作用力的束缚之后，其中一个下夸克会在弱相互作用力的主导下改变自己的“味道”，从而变成更轻的上夸克，在这个过程中它会释放一个电子和一个反中微子。当夸克的电荷发生改变后，中子就从对外不带电变成了对外带一个正电荷的质子了。中子衰变成质子很容易，但反过来将质子变成中子却是很难的，这需要消耗很大的能量。质子很稳定，这就是我们可以找到许多氢原子和自由质子，却很少发现自由中子的原因。质子和中子之间的核力相互作用中子星是自由中子的巢穴博学的你肯定很早就想到了中子星。这是宇宙中广泛存在的一类星体，它是那些比太阳更大的恒星死亡、坍塌后形成的致密星球。当大质量恒星燃尽了它核心的氢和氦，便走到生命的尽头，由于内部的能量无法支撑外部强大的重力，恒星的内核会在瞬间发生剧烈坍缩，同时释放巨大的能量，这便是超新星爆发，中子星便是超新星的残骸。中子星由于在10~20公里半径的范围内集聚了大约2个太阳质量的物质，强大的压力会超过钱德拉塞卡极限，从而将电子压入到质子中，使期变成中子。中子星中有大量的自由中子，但中子星也是分层的。它的内核由于压力极为巨大，中子被压成了更重的超子；超子核心的外边是自由中子层；中子星的最外层是质子、电子和中微子构成的表层，这些都是中子衰变后的产物。中子星分层有人将中子星视为一个巨大的原子核，甚至称它就是0号元素，这是不正确的。无论从宏观还是微观的角度来分析，中子星都是一个天体而不是单一的元素。中子不过是中子星的一个组成部分而已。除了遥远的中子星外，我们周围一些放射性物质比如U235或Pu239在裂变过程中也能产生出高能量的中子，人们利用中子进行链式反应以进行核能发电，同时也利用核裂变产生大量中子制造核武器，比如原子弹、氢弹和中子弹。中子弹是一种小型化的战术氢弹，中子不带电荷，大量热中子可以轻松穿透坚固掩体，杀伤里边的人员，达到杀人不见血之目的。中子是链式反应的重要传递者中子到底能不能被称为0元素？我们不能根据某些元素存在时间的长短来判断它的元素属性，比如砹213的半衰期仅有125纳秒，相比之下自由中子的寿命要长多了呢！2012年，科学家第一次观测到在没有质子的情况下结合在一起的两个中子 n，尽管它的半衰期仅有10秒，但这足以证明中子并非绝对孤立存在。中子整体不带电荷，所以它不能拉住电子，令电子围绕自己旋转从而形成电子壳层。严格地说，中子不具备原子核最基本特征——可以稳定拥有电子，这是它与其它所有元素不同的地方，也是它被踢出元素周期表的重要原因。有实验发现中子可以与电子以离子（中子-电子对）的形态出现，因为尽管中子对外不带电，但它表面存在微小的电荷分布差，所以电子可以受轨域效应束缚在中子附近运动。问题是这种束缚力极其微弱，电子很容易就被拿走，所以中子也不能因此与其它原子结合形成化学键。从这个角度看，中子是完全惰性的，把它放在惰性气体这一列也不算冤枉它。0号元素应处的位置元素周期表里没有零号元素的位置，到目前为止科学文献中也极少出现“0元素”一词，这并不表明中子这种物质注定继续孤独下去。“0元素”不代表“没有元素”，或许未来有一天，当科学界真正了解了中子，通过发挥创造性的思考，或许会将中子应得的位置还给它，这就是零号元素——“Nu”。