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化学元素周期表有没有尽头?
点击:216 评论:0 2020年9月28日 20:59 作者:刘旺 智词:
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初中开始学化学,就会接触到元素以及元素周期表,直到高中,我们会发现,每本中学化学教科书最后基本都会附一张化学元素周期表。可以说,元素周期表就像是化学这个学科的武林秘籍。

是的,化学这门学科从一开始就和元素在打交道,甚至有一段时间,化学家们以抢新元素为乐,在上世纪初,基本上能抢到新元素,就意味着提前预定了诺贝尔奖。但不知道你有没有思考过这么一个问题,那就是元素周期表到底有没有尽头?

关于“元素周期表有没有尽头”的问题,仅仅是理论假说就有好几个。但是科学其实是讲究实证的。再厉害的理论,也需要实验来证明。而这个问题在实验物理学眼里可以转换为寻找“终极”元素,说白了就是合成出新的更高顺位的元素。那这具体要咋操作呢?

这就需要从原子结构说起 ,我们都知道原子是由原子核和核外电子构成的,而原子核则是由质子和中子构成了。我们通常说的原子序数,实际上是原子核内质子的数量。氢原子其实就是带一个质子的原子,氦原子就是带两个质子的原子。根据中子数的不同,我们还会有不同的同位素。想要获得大号元素,实际上需要通过核聚变反应。

但是要合成铁元素以上的原子核,就需要大量的能量。这一般是很难做到的。科学家想到的办法其实就是:碰撞。这有点类似于对撞机,就是让重元素离子进行对撞,然后来获取更高顺位的元素。可是这个办法其实没有得到多好的效果。

科学家想了一些其他的办法,我们可以称为核融合,但这也分两种,一种叫做热熔合,这办法就是拿一个原子序数很高的原子核作为靶子,然后用氘核或者氦核去撞击这个原子核,看看能不能加点量。

另外一种办法叫做冷融合,同样是拿原子序数很大的原子核当靶子,不过这回用原子序数高的原子核去撞。科学家利用第二种方法确实找到了不少高顺位的元素。从93号元素镎开始,后面找到的元素基本上都是通过人工的方法合成的,不过,93号元素之前也有一部分的元素是在自然界没找到的,是通过人工合成的。

2016年,科学家们用回旋加速器得到了118号元素,但这个元素只存在了不到一毫秒的时间。日本的理化研究所曾经宣布合成119号元素。不过,这事还没有得到完全的确认。那么问题就来了,元素周期表到底有没有尽头呢?最后的元素序号应该是多少呢?

关于这个问题,科学家目前还没有形成统一的意见,有许多种说法,而且难分高下。

原子核内有质子和中子,我们知道质子可是带正电的,根据同种电荷相排斥的原理,理论上质子之间是存在着静电斥力的。质子聚在一个原子核内是因为有一个更大的“力”,把质子束缚在了原子核内,这个力叫做强力。

科学家发现,在宇宙中存在着四种基本作用力,分别是强力,弱力,电磁力和引力。其中强力的强度是最大的,其次是电磁力,再然后是弱力,最后是引力。

强力虽然强度大,但是强力的作用范围很小,只有(10 ^-15m。所以,质子和中子才会被束缚在很小的尺度内,最终形成原子核的结构。由于强力的作用范围很小,在这样的范围内能够塞下质子和中子的数量是有限的。

所以,原子核不可能无限大,一定不会超过(10 ^-15m。因此,只要超过这个范围,强力就无法把质子束缚在原子核内了。所以,元素周期表一定是有尽头的。那这个尽头所对应的原子序数是多少呢?

第一位拿到诺贝尔物理学奖的女性是居里夫人,那你知道第二个是谁吗?她叫做:梅耶,她不仅是第二个拿到诺贝尔物理学奖的女性物理学家,她还曾参与制造了氢弹的项目,是学术成就极其高的科学家。

梅耶曾经提出过自己的“原子核模型”,她的理论实际上很复杂。简单来说:她认为原子核内部的结构类似于太阳系。内部有轨道,一个轨道上会有一个中子以及一个质子,质子和中子自身也会自转,有点类似于行星。梅耶就是因为这个理论获得了诺贝尔物理学奖。

后来,有一位科学家叫做格伦·西奥多·西博格,他在梅耶的“原子核模型”之上,建立了稳定岛理论,通过这个理论可以推导出,当原子核中的核子数是820285082126时,原子核会处于稳定状态。也就是说,从稳定岛的理论当中,我们可以得到元素周期表的尽头可能是126号元素。

费曼认为元素周期标的尽头应该是137号元素。他的依据是精细结构常数。这个“精细结构常数”是物理学家索末菲推导出来的一个无量纲的常数。费曼结合了精细结构常数以及波尔的“原子模型”理论,得到一个结果:如果原子序数高于137,那么1s轨道上的电子将会乱飞。

学术圈还存在着一个观点认为元素周期表的尽头是172号元素,也是目前比较主流的观点。这个观点的出发点也比较简单。主要是基于相对论,在相对论,爱因斯坦推导出了物质、信息和能量是无法超光速的,所以,电子的速度是不可能超过光速。当原子序数超过172号,就会出现最内层的电子超光速的情况,这也就违背了相对论。

从目前的情况来看,科学家的理论推导得到了三个结果:126,137,172,。那元素周期表的尽头到底是什么,可能还是需要交给时间去检验。(2020-09-06

 

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