大话宝石镶嵌(大话元素周期表)

自20世纪30年代以来,科学家已经合成了几十种新的化学元素。新元素的创造工作会一直延续下去吗?

大话宝石镶嵌(大话元素周期表)(1)

这些合成元素,它们都是在实验室里创造出来的。一些研究认为,这些人造元素“完成”了元素周期表。但这是错误的,后面会出现更多的新元素。但这可能需要一段时间,因为新元素将越来越难制造。

第八行元素

当119或120元素被创建时,它们将开启元素周期表的全新一行,将位于第八行。没有人知道通过创建新元素,元素周期表还能扩展多大。有可能元素种类无限多,没有限制;也有可能,原子超过了一定的临界点,就不会变得更重了。这种巨大的原子将是完全不稳定的,会在放射性的波动中立即解体。

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但有一件事是清楚的。如果我们真的能造出更重的元素,我们会发现它们的行为会很奇特。

元素本质上是只含有一种原子的物质。所以制造一种新元素意味着制造一种新的原子。每个元素都有一个编号:例如,碳是6号。这个编号不是随意的标签,而是规定了该原子核中包含多少质子。质子带正电荷,它们聚集在原子中心形成原子核。较轻的电子带着与质子相反的负电荷,在弥漫的电子云中围绕原子核“运行”。

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除了氢原子以外,原子核还含有第二种粒子:中子。中子的质量几乎与质子的质量一模一样,只是不带电荷。一种元素的原子可以有不同数量的中子,这些变体被称为“同位素”。中子就像一种胶水,把质子粘在一起。没有中子,质子间的正电荷相互排斥,会把它们分开。尽管中子粘合力如此强劲,但像铀这样非常重的原子,它的原子核里充满了相互排斥的质子,即使是中子也不能把它们聚集在一起。这些原子会经历“放射性衰变”:它们释放出粒子和能量。

宇宙工厂

当一个原子衰变时,原子核中的质子总数发生变化,因此放射性衰变过程会将一种元素变成另一种元素。每种类型的原子核都有一个最佳的质子和中子的比例。所以,如果原子有太多或太少的中子,即使原子核很小,原子也会衰变。对于像碳和氧这样的轻元素,质子与中子的比例几乎是1:1。较重的元素需要稍微多出一些中子。宇宙的自然过程只能产生一定重量的元素。

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最轻的五种元素,从氢到硼,大部分都是在宇宙起源的大爆炸中产生的。更重的物质是在恒星内部产生的。在那里,强烈的温度和压力迫使轻元素的原子核融合在一起。这叫做核聚变。更大的恒星可以产生更重的元素,比如汞,它的原子核中有80个质子。

钚的秘密

元素周期表中的许多元素是在恒星爆炸或“超新星爆炸”的强烈环境中形成的。当原子相互碰撞时,释放出的巨大能量可以产生新的聚变,产生像铀一样重的元素,它有92个质子。这些核聚变反应需要大量的能量,因为带正电荷的原子核相互排斥。一个原子核必须移动得非常快,才能穿过这个势垒并与另一个融合。

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因此,铀是自然界中含量最高的元素。目前还没有发现任何自然过程使任何东西变重。当科学家想要制造新元素时,他们必须使用粒子加速器将相互碰撞的原子加速到极高的速度,至少是光速的十分之一。

在1941年,美国的一个研究小组用“重氢”核轰击铀,每个重氢核包含一个质子和一个中子。碰撞后,形成了94号元素:钚。他们很快意识到,钚和铀一样,会在核裂变的过程中自发衰变。它巨大的原子核几乎会分裂成两半,释放出巨大的能量。

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这一发现很快就得到了应用。粒子加速器中制造的钚,被用于1945年8月投放在长崎的“胖子”原子弹上。钚的发现一直是军事机密,直到第二次世界大战结束。战争一结束,这些科学家就开始认真地寻找新元素。几十年来,制造新元素的研究中心有两个,一个位于美国的伯克利的劳伦斯利弗莫尔国家实验室;另一个位于俄罗斯,是建立于1956年的莫斯科杜布纳联合核研究所(JINR)。

美苏争霸

最初,美国人处于领先地位。他们在试验室中,利用原子核碰撞制造了第95、97和98号元素,分别被称为镅、锫和锎。

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往后的新元素是以完全不同的方式被发现的。它们是在上世纪50年代,美国氢弹试验的碎片中被鉴定出来的。这些元素是在强烈的爆炸中,由铀在炸弹的“引信”上生成。99号和100号元素,以两位物理学家的名字命名,一个是爱因斯坦的“锿”(einsteium)和恩里科·费米的“镄”(fermium)。

随着冷战的深化,美苏不仅在军事上互相对抗,在新元素制造的归属上,也产生了一些激烈的争论。在20世纪50年代末到70年代初,伯克利大学和JINR研究小组就102、104、105和106号元素的起源争论不休。IUPAC(国际纯粹与应用化学联合会)一直致力于解决两方纷争,但直到1997年才将104号元素授予伯克利,105号元素授予JINR。

有上限吗

虽然早期的人造元素是通过用轻得多的原子轰击重原子来制造的,但研究人员找到了合并两个中等大小原子核的方法。例如,用锌、镍和铬离子轰击铅或铋原子。通过这种方法,108号元素首次被制造出来,并命名为hasum。

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要证明制造出了新元素,需要探测它们放射性衰变的特有方式。每种人造元素都有不同的衰变过程,每一种也都以它自己的速率衰减,即半衰期(样品一半衰减所花的时间)。这些微妙的信号必须在其他混乱的物理现象去探测,所以要判断是否制造出了一种新元素并不容易。

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考虑到这些困难,我们似乎已经达到原子大小的上限。但是我们有充分的理由继续往元素周期表的第八行推进。因为重新为元素周期表排列一排的前景是诱人的,这意味着可以创造出我们从未见过的原子。

奇特性质

原子中的电子被分成若干组,称为壳层。每个壳层都有特定的容量,正是这些壳层决定了原子的特性和元素周期表的形状。第一电子层只能最多容纳两个电子,比如:氢原子有一个,氦有两个。第二电子层最多可以容纳8个电子,这就是为什么周期表的第二行有8个元素。更高的电子层可以容纳更多的电子。

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最新制造的四个新元素,是第7行的最后剩余的成员。如果我们能造出119号元素,它将是第8行的第一个元素,它将是第一个在第8电子层中,有一个电子的元素。这样极端的元素可能会打破元素周期表的规则。

周期表中同一列中的元素具有类似的属性,这是因为它们的最外电子层是以同样的方式排列的。例如,最左列的元素都是活性元素。它们的外层都只有一个电子,这是一种不稳定的结构:原子很容易失去这个电子。相比之下,最右列中的元素都有完整的电子组,这意味着它们极其不活泼,因此得名“惰性气体”。但这些规则可能不适用于所有的超重元素。

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在它们的原子中,靠近原子核的电子被带正电的原子核紧紧地束缚着,它们以极快的速度移动。速度如此之快,快到接近光速。根据爱因斯坦的相对论,速度越快,电子的质量越重。结果,内层电子变重了。这对决定元素化学行为的外层电子产生了连锁反应,因为电子通过电荷“感知”彼此的运动。

“相对论”效应可能意味着超重元素的行为不像我们想象的那样。更重要的是,元素越重,它们的衰变速度就越快。这意味着,不仅要研究如何制造它们,更在在研制成功后的极短时间内检测它们,这将为新元素的制造带来挑战。

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尽管如此,这些超重元素有可能是稳定的,它们可能存在足够长的时间,来使我们进行科学研究。事实上,超重元素并不总是越重越不稳定。也可能有一些原子核寿命相对较长,存在于一种“稳定态”中,这将取决于中子与质子的数量比值。

特殊的稳定态

核物理学家发现,原子核中的质子和中子,就像轨道上的电子一样,被组织成壳层。填充的壳层的粒子数具有一定规律,并形成特别稳定的原子核。氦、氧、钙、锡和铅的原子核都有充满质子的壳层,这使它们特别稳定。充满的中子壳层也能带来稳定性。同位素铅-208具有“双重壳层”,它的外壳既充满了质子,也充满了中子。

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对于超重的原子核,壳层粒子的个数规律计算比较困难,所以尚不能定义这些数字。根据理论推导,114号元素“鈇”(flerovium,以俄罗斯核科学家乔治·弗罗罗夫的名字命名)的两种同位素,具有“双重壳层”,因此可以相对稳定的存在。这两种同位素分别有184和196个中子,被命名为flerovim -298和flerovim -310。

flerovium会从核壳层效应中获得一些稳定性。flerovim-298的半衰期预计在17天左右,以超重元素的标准来看,这是相当长的。迄今为止,寿命最长的超重元素同位的半衰期只有2.6秒。目前还不清楚是否存在超重元素,它能够存在足够长的时间,得以将一个一个的原子聚集为可见物质。但这似乎不太可能,目前最乐观的情况是,一个超重原子能稳定的存在几天。

幽灵粒子

除此之外,是否会出现原子重到无法存在的临界点?美国物理学家理查德·费曼是这么认为的。他进行了一个粗略的计算,结果表明不可能制造一个含有137个质子的原子核。原因是137号元素留不住最内层的电子,也就是第一层的电子,电子没有稳定的轨道,不得不脱离原子核。然而,在费曼的计算公式中,原子核的大小近似为零,这当然不符合实际。当进行更精确的计算时,在173号元素之前,最内层电子的也不会发生任何异常。

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即使元素周期表没有尽头,也可能有一些奇怪的现象在周期表的深处等着我们。就算制造出了137号元素,原子仍然可以保持稳定,但会发生一些奇怪的事情。就像其他微小尺度上的量子事件一样,这一切都归结于量子力学。

这意味着,粒子可能会结对在虚无中凭空出现。一种粒子由正物质组成,另一种由反物质组成。正常情况下,正反物质相互接触后,会发生碰撞并湮灭。173号元素最里层的电子可能处于一种不寻常的、不稳定的状态,可以激发这些“虚无”粒子对。

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如果内层的一个电子被踢出壳层,比如用x射线轰击它,它就会在壳层上留下一个洞。这个空穴将被一个从虚无中出现的电子填补。但正反物质都是成对出现的,为了形成这个带“负电荷”的电子,也必须形成一个带“正电荷”的电子,这个“正电荷”电子会从原子中发射出来。换句话说,这些超重元素的电子云可能偶尔会喷出反物质粒子。

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