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元素周期表是否有尽头?

作者:小编 来源: 日期:2018-6-19 7:41:27 人气:

  ,虽然已经接近150周岁的“高龄”,但它所含有的元素种类至今仍在继续增长。在2016年,就新增了Nh、Mc、Ts 和 Og四种元素,它们的(即原子核中质子的数量)分别为113、115、117和118,这一数值决定了它们的化学性质以及在周期表中的。

  在2002年到2006年期间,世界各地科学家通过重离子聚变反应制造出了这四种新的元素。之后,科学家再用了十年的时间才最终确认它们在元素周期表中的。

  在元素周期表中,“超重元素”一词通常是指原子数大于或等于104的化学元素。已知的所有超重核都具有放射性;它们都是在核实验室中通过合成而获得的。在1994年至2004年期间,通过在实验中运用铅或铋,科学家得到了原子数为110到113的较轻同位素。当原子数达到113时,反应生成截面会迅速下降,因此若想要继续使用这种方法来获得更重的元素将会极度困难。

  而使用与富含中子的Ca-48粒子束和锕系元素有关的热核聚变反应让这一领域发生了性的改变,在1998到2008年期间,这一方法让科学家测量到超过50种原子数在114到118的新元素的同位素。2006年合成的Og-294标志着目前核电荷与质量的极限,而且它非常的不稳定,会迅速的进行衰变,半衰期仅为0.89毫秒,这一时间对于化学研究来说实在太短。这意味着计算它的电子和核结构是退而求其次的最佳选择。

  现在,科学家想要知道的问题是:可以存在的最重的核和原子是什么?自然界中是否存在长生命周期的超重核?超重核能否在恒星中产生?元素周期表的最后一个元素会是什么?那些超重原子的化学性质又是什么?这些问题的部分答案可以在核物理学教授Witold Nazarewicz最近发表于《自然-物理》的论文中找到。

  ○Witold Nazarewicz探讨元素周期表的论文发表于6月4日的《自然-物理》上。 图片来源:[1]

  据预测,当原子的质子数多达172个时,就能在核力的作用下,物地形成一个结合在一起的原子核。正是这种核力了原子的解体,但它能维持的时常只有几分之一秒。

  如上文中提到的,这些在实验室中制造的原子核非常不稳定,它们会在形成后不久就发生自发性的衰变。对于比Og还重的物质,这一过程可能极快,以至于它们没有足够的时间吸引并捕获一个电子来形成原子。因此它们的整个生命周期都将以一种质子与中子的聚集形态存在。但如果真是这样的话,这将挑战科学家现有对“原子”的定义和理解方式。那么,原子将不能再被描述成一个有电子环绕的中心核。

  目前,我们并不知道这样的原子核是否真的可以形成。科学家们正在缓慢但坚定地接近这一答案。他们在不知道那些元素会是什么样子、会有怎样性质的情况下,将它们逐个合成。119号元素的搜寻工作也正在全球几个实验室中进行。

  Nazarewicz说:“核理论缺乏能够可靠预测合成元素时所需的最佳条件的能力,所以在发现什么东西之前,你只能靠猜测、以及核聚变实验的开展。而通过这种方法,可能需耗费多年的努力。”

  如果119号元素一旦被确认,它将元素周期表的第8行周期。Nazarewicz表示,实验已经在进行中,我们或许离这一发现已经不远了。

  除此之外,还有一个令人兴奋的问题依然存在,那就是超重核是否能在太空中生成?人们认为这些超重元素是可以在中子星合并中形成的,因为这种恒星碰撞的力量非常强大,以致于足以撼动的结构。在中子很丰富的恒星中,一个原子核能与更多的中子融合,形成更重的同位素。它们会具有相同的质子数,因此仍是相同的元素,但质量更大。而它们面临的挑战是——重核非常的不稳定,以至于早在更多的中子被加入来形成这些超重核之前,重核就已经分解了。这会阻碍重核在恒星中的产生。科学家希望通过更加先进的模拟,从可被观测到的合成元素模式中“看到”这些难以捉摸的原子核。

  随着实验能力的提高,科学家们将搜寻这些更重的元素,并将它们添加到元素周期表上。而与此同时,他们只能凭想象来设想这些奇异的元素将会有怎样神奇的应用。

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