元素周期表|元素周期表有尽头么?最后一个元素是几号元素?
元素周期表
我们上初中的化学课时 , 就会接触到元素以及元素周期表 , 甚至还被老师要求背诵元素周期表的前20位 。 到了高中 , 不仅要横着背 , 而且还要竖着背 。 可以说 , 元素周期表就像是化学这个学科的武林秘籍 。
事实也是如此 , 化学这门学科从一开始就和元素在打交道 , 甚至有一段时间 , 化学家们以抢新元素为乐 , 在上世纪初 , 基本上能抢到新元素 , 就意味着提前预定了诺贝尔奖 。 但背了这么长时间的元素周期表 , 不知道你有没有思考过这么一个问题 , 那就是元素周期表到底有没有尽头?
寻找“终极”元素
实际上 , 关于“元素周期表有没有尽头”的问题 , 仅仅是理论假说就有好几个 。 但是科学其实是讲究实证的 。 再厉害的理论 , 也需要实验来证明 。 而这个问题在实验物理学眼里可以转换为寻找“终极”元素 , 说白了就是合成出新的更高顺位的元素 。 那这具体要咋操作呢?
这就需要从原子结构说起, 我们都知道原子是由原子核和核外电子构成的 , 而原子核则是由质子和中子构成了 。 当然 , 质子和中子其实还可以再分成夸克 。
而我们通常说的原子序数 , 实际上是原子核内质子的数量 。 氢原子其实就是带一个质子的原子 , 氦原子就是带两个质子的原子 。 根据中子数的不同 , 我们还会有不同的同位素 。 所以 , 越大号的元素 , 说白了就是质子数越多的 。 也就是说 , 想要获得大号元素 , 实际上需要通过核聚变反应 。 比如:最常见的就是氢核聚变 , 生成氦原子核 。
但是要合成铁元素以上的原子核 , 就需要大量的能量 。 这一般是很难做到的 。 科学家想到的办法其实就是:碰撞 。 这有点类似于对撞机 , 只不过所用到的材料是不一样的 。
说白了 , 就是让重元素离子进行对撞 , 然后来获取更高顺位的元素 。 可是这个办法其实并没有多好用 , 没有得到多好的效果 。
于是 , 科学家又想了一些其他的办法 , 我们可以成为核融合 , 但这也分两种 , 一种叫做热熔合 , 这办法就是拿一个原子序数很高的原子核作为靶子 , 然后用氘核或者氦核去撞击这个原子核 , 看看能不能加点量 。
另外一种办法叫做冷融合 , 同样是拿原子序数很大的原子核当靶子 , 不过这回用原子序数高的原子核去撞 。 科学家利用第二种方法确实找到了不少高顺位的元素 。 从93号元素镎开始 , 后面找到的元素基本上都是通过人工的方法合成的 , 这里多补充一句 , 93号元素之前也有一部分的元素是在自然界没找到的 , 是通过人工合成的 。
那如今科学家合成到了几号元素呢?
答案是:118号元素 。 这是在2016年做到的 , 利用的是回旋加速器做出来的 , 但这个元素只存在了不到一毫秒的时间 。
可是118号元素就是最后一位了吗?
答案是否定的 , 这也是科学界的主流看法 , 目前就要一些科学家在挑战更高顺位的元素 。 几年前 , 日本的理化研究所就曾经宣布合成119号元素 。 不过 , 这事还没有得到完全的确认 。 那么问题就来了 , 元素周期表到底有没有尽头呢?最后的元素序号应该是多少呢?
最后的元素序号应该是多少?
客观地说 , 关于这个问题 , 科学家目前还没有形成统一的意见 , 有许多种说法 , 而且难分高下 。 要了解这个问题 , 我们还得从原子核的层面来说这件事 。
正如上文提到的 , 原子核内有质子和中子 , 我们知道质子可是带正电的 , 根据同种电荷相排斥的原理 , 理论上质子之间是存在着静电斥力的 。
因此 , “质子聚在一个原子核内”这件事本身就很蹊跷 。 那到底是咋回事呢?这其实是因为有一个更大的“力” , 把质子束缚在了原子核内 , 这个力叫做:强力 。
科学家发现 , 在宇宙中存在着四种基本作用力 , 分别是强力 , 弱力 , 电磁力和引力 。 其中强力的强度是最大的 , 其次是电磁力 , 再然后是弱力 , 最后是引力 。分页标题
强力虽然强度大 , 但是强力的作用范围很小 , 只有(10 ^-15)m 。 所以 , 质子和中子才会被束缚在很小的尺度内 , 最终形成原子核的结构 。 由于强力的作用范围很小 , 在这样的范围内能够塞下质子和中子的数量是有限的 。
所以 , 原子核不可能无限大 , 一定不会超过(10 ^-15)m 。 因此 , 只要超过这个范围 , 强力就无法把质子束缚在原子核内了 。 所以 , 元素周期表一定是有尽头的 。 那这个尽头所对应的原子序数是多少呢?
我们都知道 , 第一位拿到诺贝尔物理学奖的女性是居里夫人 , 那你知道第二个是谁吗?她叫做:梅耶 , 她不仅是第二个拿到诺贝尔物理学奖的女性物理学家 , 她还曾参与制造了氢弹的项目 , 是学术成就极其高的科学家 。
梅耶曾经提出过自己的“原子核模型” , 她的理论实际上很复杂 。 我们简单来说:她认为原子核内部的结构类似于太阳系 。 内部有轨道 , 一个轨道上会有一个中子以及一个质子 , 质子和中子自身也会自转 , 有点类似于行星 。 梅耶就是因为这个理论获得了诺贝尔物理学奖 。
后来 , 有一位科学家叫做格伦·西奥多·西博格 , 他在梅耶的“原子核模型”之上 , 建立了稳定岛理论 , 通过这个理论可以推导出 , 当原子核中的核子数是8 , 20 , 28 , 50 , 82 , 126时 , 原子核会处于稳定状态 。 也就是说 , 从稳定岛的理论当中 , 我们可以得到元素周期表的尽头可能是126号元素 。
除了梅耶和格伦·西奥多·西博格的理论之外 , 物理学史上有个大神也参与过这个讨论 , 这位大神就是费曼 , 他也是诺贝尔奖获得者 , 同时参与过曼哈顿计划 。
费曼认为元素周期标的尽头应该是137号元素 。 他的依据是精细结构常数 。 这个“精细结构常数”曾经让许多物理学家很崩溃 , 它是物理学家索末菲推导出来的一个无量纲的常数 。 费曼结合了精细结构常数以及波尔的“原子模型”理论 , 得到一个结果:如果原子序数高于137 , 那么1s轨道上的电子将会乱飞 。
除了以上两个观点之外 , 实际上在学术圈还存在着一个观点 , 这个观点认为元素周期表的尽头是172号元素 , 也是目前比较主流的观点 。 这个观点的出发点也比较简单 。 主要是基于相对论 , 在相对论 , 爱因斯坦推导出了物质、信息和能量是无法超光速的 , 所以 , 电子的速度是不可能超过光速 。 当原子序数超过172号 , 就会出现最内层的电子超光速的情况 , 这也就违背了相对论 。
【元素周期表|元素周期表有尽头么?最后一个元素是几号元素?】所以 , 从目前的情况来看 , 科学家的理论推导得到了三个结果:126,137,172, 。 那元素周期表的尽头到底是什么 , 可能还是需要交给时间去检验 。
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