截至2009年,奥格涅斯扬领导多方团队发现了117号元素“钅田”(一说石田),元素周期表的第七周期已经全部被填补完整,共有118枚元素。
第七周期就是元素周期表的终结吗?元素周期表会不会有个尽头呢?
一、玻尔模型
根据玻尔模型,1s轨道电子的速度公式如下:
也就是说,如果原子序数超过137,1s轨道电子的速度就要超光速了。这显然不可能,所以很多人认为137号元素就是元素周期表的终点,这个数字恰好是精细结构常数的倒数。有传言,费曼就持这个观点,他还因此把137号元素命名为:femanmanium。
二、狄拉克海
玻尔模型没有考虑1s电子的相对论效应,如要考虑,则必须请出狄拉克方程。根据狄拉克方程的预言,真空并不空,而是一片“狄拉克海”。
这是根据狄拉克方程的电子基态能量:
当Z>173时,将出现非常奇怪的现象。如果距离原子核最近的1s亚层没有电子的话,原子核的电场将从真空里抓出一个电子填进1s亚层,同时自发辐射出一个正电子。
从下面这个能量图上,可以看出,当Z>173时,1s电子的能级就低于-mc2了,好像潜水了一样。
有人认为Z>173的元素不会存在,其实不然。
Z>173元素的原子被称为“超临界原子”,原子核周围的强场被限制在一个非常小的空间内,由于1s亚层的能级已经潜入真空的最低能量之下,泡利不相容原理会禁止进一步自发地产生电子对。
总之,科学家们认为超临界原子的电子结构并不是什么瓶颈,所以元素周期表的终点可能更加取决于原子核的稳定性,而不是电子壳层的稳定性。
是啊,到了第七周期的尾部,元素的半衰期越来越短,115号元素“钅莫”以后,已发现的最稳定同位素的半衰期没有超过1秒的,118号元素“奥气”的最稳定同位素Og294的半衰期只有0.69毫秒。按照这个规律,更重的元素半衰期将更短,瞬间就会发生衰变。那么,再往下去寻找新元素,还有意义吗?
三、稳定岛理论
从梅耶女士提出幻数理论之后,物理学家们开始不断深入到原子核的内部,西博格在此基础上提出了稳定岛理论,拥有某些“幻数”的质子数和中子数的核素可能会更加稳定。
稳定岛理论预言,126、138、154和164等号元素都可能是比较稳定的元素,但这也仅仅是预言而已。
关于“幻数理论”和“稳定岛理论”,请参阅下面的帖子。
四、小结一下各位专家的声音:
Richard Feynman:137
Yogendra Gambhir:146
Pekka Pyykkö:172
Albert Khazan:155
Walter Greiner:没有最高的
总结一下:
1,到目前为止,还没有一个最有说服力的理论能完全回答这个问题:元素周期表有没有终结点。
2,到目前为止,人类发现的最高原子序数的元素就是118号元素“奥气”。
3,IUPAC定义,一种元素只有它的半衰期大于10^-14秒,才可以被认为是一种元素。因为如果半衰期更短,就没有足够 时间形成电子云。
4,不管怎样,“元素周期表有没有终结点”这是一个好问题,指引着我们去理解电子壳层甚至原子核内部的奥秘。
前118号元素的故事都已经记录在我的专栏里,欢迎大家互相学习交流。
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参考:
1,https://www.chemistryworld.com/opinion/column-the-crucible/3005076.article
2,https://en.wikipedia.org/wiki/Extended_periodic_table
3,https://en.wikipedia.org/wiki/Periodic_table#Element_with_the_highest_possible_atomic_number
4,https://en.wikipedia.org/wiki/Aufbau_principle#The_Madelung_energy_ordering_rule
5,http://fse.studenttheses.ub.rug.nl/14531/1/report.pdf
6,https://www.researchgate.net/publication/284213926
7,http://www.kernchemie.de/Transactinides/Transactinide-2/transactinide-2.html