元素周期表是无限的吗

目前,世界各地的研究人员正在争先夺后地合成元素周期表的下一个元素:含119个质子的原子。不过,密歇根州立大学的核物理学家Witold Nazarewic提出:我们有理由认为,元素周期表不是无限的。当然,预测极限并不容易。

迄今为止,原子界的重量级冠军和最新成员是第118号元素“Oganesson”(Og),它含118个质子和176个中子。2016年,它被正式授予名称(但尚未有中文名称)。当年,还有另外三种元素得到正式命名,它们分别是第113号(鉨Nh)、115号(镆Mc)、117号(Ts)元素。

这些人工合成的粒子代表着核物理学的前沿领域,代表着旧法则不再适用的领域。没有人知道元素周期表的尽头在哪里。理论认为,我们最多可以将184个质子和一堆中子挤成一团,合成巨大的原子核。不过,第184号元素是不是绝对极大值尚且存在争议。计算机模型显示,Og元素应该具有不同寻常的电子结构。

这里有个哲学问题:当原子无法容纳任何电子时,它还算是原子吗?Og元素的半衰期不到1毫秒,几乎无法维持稳定的亚原子粒子。不过,这段时间依然足以使电子在原子核衰变前各自就位。从理论上讲,我们可以通过其它元素的碰撞和合并制造出更大的原子核,但如果这些原子核尚未抓牢电子就产生衰变了,那么它们还能算是原子吗?

即便有些原子足够稳定,能够抓牢电子,但Og元素的电子行为非常古怪,这意味着更大原子核的电子运行会更加诡异。大量质子聚集在一起会累积可观的静电力,这不仅使电子难以遵循预期运行模式,还会产生Coulomb frustration(未查到对应中文翻译)。通常,原子的表面能足以使它大致呈球体形状。当Coulomb frustration足够大时,原子核会出现隆起和空洞,威胁自身的稳定性。所以,除考虑衰变期外,我们还需要通过计算机模型判断它们的Coulomb frustration会不会造成严重问题。

此外,量子效应和相对论效应也使我们难以预测这类超大原子核的特性。再以Og元素为例。从原子序数上看,它属于惰性气体。然而,其电子特性使它比其它惰性气体活跃,其体积使它在室温下不太像气体。如果这类元素不遵循元素周期表的规律,那么我们便应该重新摸索它们的规律。

本文译自 sciencealert,由译者 蛋花 基于创作共用协议(BY-NC)发布。
原作者:MIKE MCRAE


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