元素周期表是無限的嗎?

蛋花 @ 2018.06.13 , 11:00

目前,世界各地的研究人員正在爭先奪後地合成元素周期表的下一個元素:含119個質子的原子。不過,密歇根州立大學的核物理學家Witold Nazarewic提出:我們有理由認為,元素周期表不是無限的。當然,預測極限並不容易。

迄今為止,原子界的重量級冠軍和最新成員是第118號元素「Oganesson」(Og),它含118個質子和176個中子。2016年,它被正式授予名稱(但尚未有中文名稱)。當年,還有另外三種元素得到正式命名,它們分別是第113號(鉨Nh)、115號(鏌Mc)、117號(Ts)元素。

這些人工合成的粒子代表著核物理學的前沿領域,代表著舊法則不再適用的領域。沒有人知道元素周期表的盡頭在哪裡。理論認為,我們最多可以將184個質子和一堆中子擠成一團,合成巨大的原子核。不過,第184號元素是不是絕對極大值尚且存在爭議。計算機模型顯示,Og元素應該具有不同尋常的電子結構。

這裡有個哲學問題:當原子無法容納任何電子時,它還算是原子嗎?Og元素的半衰期不到1毫秒,幾乎無法維持穩定的亞原子粒子。不過,這段時間依然足以使電子在原子核衰變前各自就位。從理論上講,我們可以通過其它元素的碰撞和合併製造出更大的原子核,但如果這些原子核尚未抓牢電子就產生衰變了,那麼它們還能算是原子嗎?

即便有些原子足夠穩定,能夠抓牢電子,但Og元素的電子行為非常古怪,這意味著更大原子核的電子運行會更加詭異。大量質子聚集在一起會累積可觀的靜電力,這不僅使電子難以遵循預期運行模式,還會產生Coulomb frustration(未查到對應中文翻譯)。通常,原子的表面能足以使它大致呈球體形狀。當Coulomb frustration足夠大時,原子核會出現隆起和空洞,威脅自身的穩定性。所以,除考慮衰變期外,我們還需要通過計算機模型判斷它們的Coulomb frustration會不會造成嚴重問題。

此外,量子效應和相對論效應也使我們難以預測這類超大原子核的特性。再以Og元素為例。從原子序數上看,它屬於惰性氣體。然而,其電子特性使它比其它惰性氣體活躍,其體積使它在室溫下不太像氣體。如果這類元素不遵循元素周期表的規律,那麼我們便應該重新摸索它們的規律。

本文譯自 sciencealert,由譯者 蛋花 基於創作共用協議(BY-NC)發布。原作者:MIKE MCRAE

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