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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  1. 一剑倾江湖 @ 2018-06-13 11:50:423855492

    延展一下,基本粒子是不是也是无限的

  2. hawk3141 @ 2018-06-13 11:58:323855509

    不是说有超重原子稳定岛吗?

  3. 柳道道 @ 2018-06-13 12:01:543855516

    如果能把中子星理解为一个元素,中子星大到一定程度就会坍缩成黑洞,从这个角度来看元素周期表应该是有限的,但是描述中子星质子量数量的最小单位可能要用阿伏伽德罗常数。

  4. moon @ 2018-06-13 12:02:503855520

    有没有专业人士解释一下,周期表已有元素之间可能插入新元素吗?比如科幻电影中经常出现的所谓“未知元素”还冒着绿光之类的。

  5. 柳道道 @ 2018-06-13 12:17:423855536

    @moon: 除非你能插半个质子进去,也就是1个上夸克和一半的胶子和半个下夸克,但是下夸克是基本粒子,即便是科幻小说也难以想像能有什么办法弄出半个质子出来

  6. Pstnk @ 2018-06-13 12:18:263855538

    @柳道道: 但中子星不是一个元素或巨型原子核。原子核不论大小,都是以强力粘结在一起的,就连氢原子也是。但中子星是以引力而非强力聚合在一起的。虽然中子星的密度和原子核相仿,但从本质上截然不同。

  7. DD @ 2018-06-13 12:21:073855542

    @moon: 根据元素的定义,已有元素之间不可能插入新元素。

  8. 小斌斌_BT @ 2018-06-13 12:27:343855553

    @moon: 不可能。元素可以理解为某一类质子数相同的原子统称,除非有零点几个质子存在,否则相邻的两个元素之间不可能存在其他质子数量的原子。

  9. 柳道道 @ 2018-06-13 12:29:253855556

    @Pstnk: 这也是一个标准,但是中子星内部也是有强相互作用力维持的,只不过引力作用距离更远起的作用更大,这时候说它是元素实在是什么化学上的意义

  10. 柳道道 @ 2018-06-13 12:37:133855569

    @Pstnk: 但是一个化学家,指着天上的中子星说:我对天文学略懂略懂,比如这个第6.9*10^56号元素。”你不觉得很逗吗。

  11. 兔子 @ 2018-06-13 12:47:113855585

    文章自带吐槽,把我想说的都说干净了

  12. 脑子坏掉了 @ 2018-06-13 12:48:513855588

    @moon:
    原子序数了解下

  13. 月巴 @ 2018-06-13 13:33:323855645

    @柳道道: 原子中仅有中子、没有质子,有些人称之为零号元素。

  14. @ 2018-06-13 13:37:563855650

    有无限的周期吗?

  15. 大西庇阿 @ 2018-06-13 13:39:273855652

    Coulomb
    这字是念窟窿么

  16. HW @ 2018-06-13 13:51:313855668

    可能是“库伦瓦解”?

  17. 月巴 @ 2018-06-13 14:00:123855680

    表述不清,原子中仅有中子、没有质子的物质,有些人称之为零号元素。

  18. 午饭 @ 2018-06-13 14:49:423855748

    会不会就像核反应一样有临界质量,当聚集更多质子中子后一下子形成黑洞啥的???

  19. abc @ 2018-06-13 14:52:273855757

    有个名词是 geometrical frustration,中文翻译是“几何失措”,以此为参照 Coulomb frustration 可以翻译成“库伦失措”

  20. yangge @ 2018-06-13 15:08:233855776

    frustration可以翻译为“阻挫”。

  21. Foenix @ 2018-06-13 15:27:273855797

    Og有中文名,“气”包住“奥”。

  22. 桑夜夜 @ 2018-06-13 15:54:063855834

    库伦塌陷

  23. @ 2018-06-13 18:33:543856060

    @柳道道: 质子和电子都被引力压缩成中子了…当然实际情况最外面的一层还是有不少质子的

  24. wavebat @ 2018-06-13 20:20:303856183

    当然是有限的,因为宇宙中的粒子是有限的

  25. shitool @ 2018-06-13 21:06:003856229

    @hawk3141: 只是个猜测吧

  26. 黑猫 @ 2018-06-13 22:45:533856349

    只看中子星,白矮星呢?算不算一个原子?

  27. Pstnk @ 2018-06-14 04:17:113856472

    @黑猫: 不算,白矮星算是正常物质的一种状态,这里的“正常”物质是指由原子核和电子组成的物质。正常物质有固态、液态、气态、等离子态等,而白矮星是另一种状态:简并态。这是正常物质所能压缩到的极限状态了。

  28. Pstnk @ 2018-06-14 08:31:143856557

    @午饭: 可能性几乎没有。普朗克质量是22微克,低于这个质量无法形成黑洞。这个质量相当于一颗芝麻了,而单个原子核,不管有多大,也没可能达到这个质量

  29. 唐风 @ 2018-06-14 14:34:283857084

    我要怎样才能跟你们一样优秀