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被相对论逼入死角的化学核心!元素周期表尽头是172号元素?

博科园-本文为化学类

看起来,下面这张元素周期表非常的完美。但事实上,在2015年12月之前,元素周期表中的第七行并未被填满。这些“空缺”的存在是由于一些人工合成的元素尚未得到官方认可。随着2019国际化学元素周期表年的到来,已被正式确认发现的元素共有118个。

元素周期表根据原子序数(原子核中的质子数)递增的顺序排成行,根据原子最外层电子的构型排成列。电子构型通常决定元素的性质、大小和形状。例如,占据第一列的是如锂和钾一类的软金属,它们会与其他物质发生剧烈的反应;而能与其他物质剧烈反应的非金属元素(如氟和碘)占据周期表的另一列。

1869年门捷列夫(Dmitri Mendeleev)写下的元素周期表,不仅预测了当时未知元素的存在,还预测了它们的性质。据科学史学家Michael Gordin的描述,起初,甚至连门捷列夫也没有认识到他的发现有多重要。如果他意识到了周期系统的含义,可能就不会在1869年3月去考察奶酪生产合作社时,将它草草地交给俄罗斯化学学会的门舒特金(N.A. Menshutkin)负责了。但这种情况很快就改变了,到了1871年,门捷列夫非常明确地相信,他得出了一条新的化学定律。

随着化学家不断合成新的元素,这一定律正被推到极限。当原子序数越来越高时,一些新元素的化学性质也已经不再与同一族中的其他元素类似。有人担心这可能会破坏深植于周期表背后的基本原理,毕竟元素周期表正是因为这种周期性而得名的。那么到底还有多少元素有待发现?元素周期表会有尽头吗?我们何时才能抵达终点?

对于一部分科学家而言,这些问题并不有趣。他们认为发现新元素不值得耗费那么多的精力和资金,尤其是这些原子本身就非常不稳定,只能存在极短的时间。但对于元素“猎人”而言,这却是一个令人兴奋的挑战。寻找新元素将对元素周期表的第八行(现在只有七行)进行填充,有一些理论预测第八行的元素将出现一些奇特的性质。这一行中的元素很有可能会破坏周期表的周期性,因为它们的化学和物理性质或许将不再以固定的间隔重复。而对新元素的探索将有望回答我们的这些疑惑。

1. 创造新元素

“最轻的化学元素是什么?” 化学家可以肯定地回答道:“!” 但如果我们问:“最重的化学元素又是什么?” 这个问题的答案却是各式各样,并夹杂着各种不确定性(这里“最重”是指原子序数最高的化学元素)。在20世纪40年代之前,学生在课堂上所学习到的已知最重的元素是(原子序数为92)。但总有人喜欢挑战,突破极限,他们猜想肯定有比铀更重的元素。

不久后,物理学家就在核反应堆与核爆炸中发现了新的元素,比如(Np)、(Pu)、(Am)、(Es,以爱因斯坦的名字命名)等。然而,在100号元素(Fm,以物理学家费米的名字命名)之后,就算用上如氢弹般大的威力也不足以再产生新的元素了。因此,科学家们决定改变策略。

他们利用加速器对较轻元素的离子进行加速,然后将它们朝原子序数较高的元素的原子核发射,希望离子束中的原子核能与靶原子核融合,从而形成一个新的、更重的原子核。然而,这样的事件很少发生,因为即使发生了碰撞,它也必须在适当的能量下发生:能量过低,原子核就会互相反弹;能量太高,新的原子就会炸裂开。以这种方式创造的第一个元素是以门捷列夫命名的(mendelevium,Md)。

在上世纪50年代到70年代,美国和俄国的研究中心将对元素的研究不断向前推进。每隔几年,就会有一种新的元素被发现并命名,最终达到106号元素(Sg,以核物理学家西博格的名字命名)。随着德国的GSI亥姆霍兹重离子研究中心将方法改变为“冷聚变”(将一束低能量的离子束聚焦于高原子序数的靶核上),德国开始在新元素的探索方面占据上风。利用这种方法,科学家发现了107号元素(Bh,以物理学家尼尔斯·玻尔的名字命名)到112号元素(Cn,以哥白尼名字命名)的各种元素。

创造出新元素的快乐是短暂的。目前,已知最重的元素是118号元素,以核物理学家奥加涅相(Yuri Oganessian)的名字命名,他在《科学美国人》上写道:“通过用较轻原子核的离子束轰击较重的原子核,科学家制造出了超重原子核,它们非常不稳定,以至于常常在被制造后的极短时间内就分裂了。“

当科学家想要制造新的超重元素时,他们所面临的阻力也越来越大。在原子量较低的元素中,质子和中子因为强核力结合在一起。但是当越来越多的质子被压缩到原子核时,强核力开始被库仑力抵消。库仑力使带相同电荷的粒子相互排斥。大多数超重原子核会在几毫秒内就发生核裂变,分裂成更轻的元素,或者先放出几个α粒子(由两个质子和两个中子组成),然后再分裂开来。

2. 在稳定之岛的海岸

有了113到118号元素,发现者们正在接近一个诱人的目标:稳定岛。据理论预测,当原子核中包含一定数量的质子和中子时,原子核会变得更加稳定和长寿。(Ca)、(Ni)、(Sn)和(Pb)就有着异常稳定的原子核。理论家们相信,这是因为这些元素的质子和/或中子数为“幻数”。这些“幻数”对应于可以使原子核更加稳定的填满了的核壳层。

理论推测的稳定岛的三维示意图。图片:维基百科质子和中子数为幻数的元素周围聚集着一些元素,由它们形成的“稳定岛”吸引着研究超重元素的研究人员。但我们尚不清楚稳定岛在元素周期表中的确切位置。有的新合成的元素似乎更稳定:117号元素的一种形式有177个中子,可以在112毫秒内稳定存在。下一个中子“幻数”预计为184,但目前为止,177是中子数量的最大值。科学家们可能离稳定岛的海岸越来越近了,但他们还在海中沉浮未能上岸。

这是因为哪怕只生产微量的新超重元素都是一项非常艰巨的任务。创造117号元素是一个特殊的挑战。唯一能制造出足够数量的靶元素(Bk)的地方是美国田纳西州的橡树岭国家实验室,与奥加涅相进行碰撞实验的俄罗斯杜布纳相距数千英里。在杜布纳的实验计划开始两年之前,锫元素的制造就已经开始了。他们经过250天的辐照,生产出了足够的锫,之后又经过90天的加工过程进行提纯。

然后倒计时开始:具有放射性的锫,半衰期为327天。所有22毫克的锫都必须在加速器和粒子束流可用的时间窗内被迅速运送到杜布纳的联合核研究所。实验成功了:通过用钙核轰击珍贵的锫靶150天,他们最终制造出了117号元素,但得到的数量非常有限,只有6个原子。2017年12月,日本的理化学研究所(RIKEN)已经开始着手创造下一个超重元素——119号元素。位于杜布纳奥加涅相的团队准备从2019年开始搜寻第119号元素。早在2007年,杜布纳和德国GSI的研究人员就开始尝试合成120号元素。不过到目前为止,还没有发现其中任何一种元素的迹象。

3. 进入未知

为填满元素周期表的第八行而作出的努力或许能带来对原子物理学的新洞察。元素的化学性质具有周期模式,因为这些性质在很大程度上是由原子核周围电子占据的空间决定的,尤其是原子核最外层的区域。这些区域在数学上被描述为“轨道”,大小和形状都是离散的,而且外层轨道的结构会以周期性或者说重复的方式变化。因此,不同原子序数的原子可以具有相似的形状,这使得那些具有相同外层轨道形状的元素区具有重复或“周期性”的模式。对于121号元素,电子将占据一个全新的轨道——之前从未曾谋面的g轨道

元素周期表还能延伸多长仍然是一个悬而未决的问题。我们究竟能走多远?上世纪40年代,玻尔曾预言100号元素镄将是周期表的最后一种元素。但自那之后我们已经取得了长足的进步。费曼预测,137号元素将是最后一个元素。但没有人真正知道周期表会在哪里结束。周期表的尽头是根据相对论计算得出的。当原子核越来越大,原子核中的质子越多时,这意味着吸引电子的库伦力就越大,所以,围绕原子核运动的电子的速度就会越来越快,达到接近光速

在如此高的速度下,电子变得具有“相对论性”,原子的性质也会非常不同于按元素周期表中的位置所预示的那样。按照计算的预测,电子的运动速度终将可以超过光速,但这显然是不可能的。在此基础上,一些科学家预测,周期表的尽头可能是172号元素,因为或许到了这一步,原子具有足够的质子去迫使电子做不可能的事。

化学家Pekka Pyykk提出的元素周期表模型,认为元素周期表的终点是172号元素。没有人知道超过这个点以上会发生什么,但出于量子力学的原因,原子核可能会开始吞噬电子,并与质子融合在一起,产生中子。这个过程将继续下去,直到质子数开始下降到172,这为原子序数提供了一个上限。图片:维基百科我们在日常生活中也会看到元素的一些相对论效应。在金原子中,电子以比光速的一半更高的速度绕着原子核旋转。这改变了电子的轨道,使得金元素会吸收蓝光,而其他颜色(频率)的光子被反弹回来。我们观察到的是白光减去蓝光——形成一种独特的金黄色光芒,使得金元素有别于在元素周期表中环绕在它周围的其他银色元素。

如果不懂得相对论,就无法解释金(Au)的颜色。新发现的元素的化学性质是否会遵循周期性,或者相对论效应是否会导致周期性定律出现裂缝?由于制造出来的新的超重原子的量非常小,化学家无法用传统的方法来研究它们(比如把元素放入烧瓶中,然后观察它与其他化学物质的反应)。相反,他们设计实验来获得与元素性质有关的简单的“是或否”的答案,例如问:在非常低的温度下,112号元素是否会像金属一样与黄金结合?

早在20世纪90年代就有实验表明,(Rt,104号元素)和(Db,105号元素)的属性与它们在元素周期表中的位置不相符。根据周期性定律,这两种元素应该与各自正上方的元素——(Hf)和(Ta)具有相似的行为。然而事实却是,鈩在发生化学反应时与在元素周期表中离它非常遥远的钚元素类似,而觀在发生化学反应时则与相距甚远的锕元素类似。不过,并非所有的超重元素都表现得出人意料。譎(Sg,106号元素)和訏(Bh,107号元素)的行为就与门捷列夫的表格所预测的一致,关于它们的学术论文被命名为“平凡到奇怪的譎”和“无聊的訏”。

周期表保持周期性与否对非常重的原子并没有重大的实际意义,至少在可预见的未来是如此。周期表对于超重元素预测能力的丧失不会影响表中其他部分的有用性。然而,狭义相对论效应的问题却触及了化学这门学科的核心。如果周期性定律因为狭义相对论而失去它的预测能力,那么化学将更加依赖于物理学。但是如果周期性定律仍然(在很大程度上)有效,那么化学将能得以保持一定的独立性。

博科园-科学科普文转自: 原理/principia1687博科园-传递宇宙科学之美

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