元素周期表是否有终点,如果存在极限,会是怎样的元素?今天,我们一起探讨元素周期表的奥秘。
我们都知道,元素周期表最初是由俄国化学家门捷利夫总结出来的。后来,一代又一代的科学家对其进行了完善和总结,才形成了我们现在看到的样式。当时,这被视为一项神奇的发现。人们突然意识到,如果按照原子序数排列,即按照核内质子数1、2、3、4、5、6、7、8这样排列,这些被发现的化学元素的性质,竟然呈现出周期性变化。这非常神奇。
基于这一思路,门捷利夫和后来的科学家预测了更多元素的存在。当时门捷利夫的周期表只有63个元素,因为许多元素尚未被发现,但他大胆预言了其他元素的存在,这些预言后来也一一得到了证实。
如今,元素周期表已拥有完整的7行。不过,对于今天的年轻人来说,这个周期表可能看起来有些陌生,因为他们上学时所学的只有6行半。年,国际纯粹与应用化学联合会增补了4种新元素:、、和号,确认了它们的存在,使周期表的7行终于填满。
我们来看看这个周期表,每一列代表一个族,同一族列的元素化学特性相似,主要体现在价电子层的排布类似,甚至完全相同。所谓价电子层,是指原子核最外围参与化学反应的电子层,不一定是最外层,因为内侧的一层有时也可能参与化学反应。
而从横向来看,每一行都是一个周期,这个元素重复了7个周期。如果发现第号元素,就需要再起一行,进入第8个周期。而第8周期的情况可能会更加复杂,甚至存在与否都是未知数,因为进入第8周期后,可能会发生一些前所未有的情况,令人忧心忡忡。不过,暂且按下不表。
需要说明的是,在个元素中,前94个元素存在于自然界,而后面的元素都是人工合成的,即通过小元素互撞而合成的较大元素。这些人工元素全部具有放射性,且存在时间极短。比如号元素的半衰期仅为0.69毫秒,人眼还未眨一下就已消失无踪。那它为何还能被认定为元素呢?原因在于,国际化学联合会认定元素的标准是:一种元素的原子寿命至少要达到10的-14次方秒,因为在这段时间内,原子核周围才能形成电子云。这个标准很有道理,如果连电子云都无法形成,就无法算作真正的元素。
我们前面提到,94种元素存在于自然界,在这94种元素中,前80种至少有一种稳定的同位素。还有一种叫做铅的元素,它有一种几乎稳定的同位素,原因是它的半衰期长达宇宙年龄的10亿倍,所以从人类尺度来看,它就是一种稳定元素,尽管它也存在一定的放射性,但非常安全。
那么,包括铅在内,一共有81种元素。再加上铪和钍,它们的某些同位素半衰期与地球年龄相当,也可视为稳定存在,就总计有83种元素属于原生元素,因为它们在地球形成之前就已经存在,一直伴随着地球的形成过程。剩下的7种元素,衰变较快,都是铀合金衰变的中间产物。
其余24种元素全部是人工合成的,都具有很强的放射性。你会发现,这些元素越往后,寿命就越短。
那么,我们继续人工合成更重元素的意义何在呢?除了满足人类的好奇心之外,终极目标还在于量子力学的发展。这是第一点。
第二点是,原子的核外电子排布有着非常严格的规则,严格到我甚至认为这是有意为之的,就好像是编写了一个程序一般。我们上学时,物理老师告诉我们,电子就像行星一样环绕原子核运转。
但现在许多人都知道,这种描述是有问题的,因为电子在原子核附近实际上是一个电子云,你只能预测它出现的概率,但无法描述它的具体运动轨迹。根据电子出现的概率,原子核周围被划分为多个能层,每个能层也就是我们常说的电子层,比如钠元素的核外电子分布为2、8、1,也就是说它有三个能层。
在已知元素中,最多只发现了7个能层,分别是K、L、M、N、O、P、Q层。这也就导致了元素周期表只有7行,这正是化学元素周期性的根源。但能层只是第一级,在它下面还有一级叫做能级或电子亚层。目前已知的元素中,一共有四种能级,能量从低到高分别是S、P、D、F级。当然,每个字母代表的都是特定词汇,这里就不赘述了。
这四种能级是按顺序连续出现的。第一能层只有S级,第二能层出现S和P级,第三能层出现S、P和D级,第四能层出现S、P、D和F级,最多就这四个级,后面的能层也不会超过这四种级。
在能级之下还有一级,就是电子的轨道,严格说应该称为轨道函数。为便于理解,我们就称之为轨道。S、P、D、F这四种能级,它们所包含的轨道数量分别是1、3、5、7,这是个定值。每个轨道最多可容纳两个电子,且这两个电子的自旋必须相反,即一个向上,一个向下。处于同一能级但不同轨道的电子,它们的能量都是相同的。
那么,为什么物理老师告诉我们,最外层电子数最多只有8个呢?根据我们上面的论述,越往外能级越多,可嵌入的电子数量也就越多。这是因为能级交错原理的存在,意思是,一个原子处于稳定态时,电子会倾向于进入最低能级。因此,会出现这样一种情况:高能层的低能级的能量,可能会比低能层的高能级的能量还要低。于是,某些轨道暂时不会被填满,那些电子就会直接跃迁到更外侧能层的最低能级。
不过,这个规律也有例外,比如铃元素,它最外层的电子数量就是18个。这实际也没有问题,你可以将它视为次外层电子,因为次外层电子最多就是18个。之所以出现这种现象,正是能级交错原理在起作用。不过在这里,我们就不展开讨论了。
在了解了这些内容后,我们再来讨论元素周期表是否能够继续扩展。第一点,继续扩展就意味着会出现第8个能层,并且会出现一个新的G能级。这是人类从未涉足过的领域,根据计算,从第号元素开始,就会出现这个G能级,它可能包含9个轨道,导致整个能层最多可容纳50个电子。当然,这只是理论推论,目前还没有任何实验数据支持。
第二点是,原子序数越大,质子数量就越多,这使得合成越来越困难。原因在于,质子能够粘合在一起是由于强相互作用力即强核力,但当质子数量太多时,库伦力可能会占主导地位,带正电的质子之间会相互排斥,难以组成原子核。那该怎么办呢?就需要大量中子来增强强核力。大家要知道,原子序数越大,构成稳定原子核所需的中子就越多。在一些较轻元素中,质子与中子的比例约为1:1,到了较重的铁元素,这一比例就是1:1.15,而对于一些放射性元素,该比例超过了1:1.5。
因此,合成更重元素的难度在于如何提供足够的中子。由于这些重元素是通过较轻元素相撞产生的,尽管质子数可能足够,但中子数可能不够。所以,如果科技足够发达,或许可以单独发射几个中子进去补充。当然,这是否可行我们还不得而知。
第三点是稳定性问题。前面已经说过,这些人工合成的元素全部具有放射性且非常不稳定,半衰期很短。那么,继续探索元素周期表是否有意义呢?这并非毫无疑问。根据一种"稳定岛理论",后面可能会出现非常稳定的超大质量元素。
这一理论源于美国物理学家梅耶提出的"幻数"概念。所谓幻数,是指当一个原子核内质子数和中子数都达到特定的幻数时,这个原子核就会非常稳定。如果两者都是幻数,稳定性就会被进一步加强。梅耶发现,钙元素的原子序数为20,相较之前的元素理应不太稳定,但它的丰度却与其原子序数不成比例。于是她猜测,一种元素是否稳定,可能与其质量无关,而是与质子和中子的特定数量有关,只要符合幻数,就能实现稳定。
基于这一猜想,另一位科学家希伯格提出了"稳定岛理论"。他将现有元素的质子数和中子数分别作为X和Y轴,形成一个坐标系,将相应元素填入,根据其稳定性形成高低不平的"岛",越稳定的"岛"就越高,颜色越红,越不稳定的"岛"就越低,颜色越蓝。通过归纳和计算,他们预测第号、号和号元素可能会非常稳定。
当时号元素尚未被发现,现在虽已发现但极为不稳定,似乎给这一理论当头一棒。号元素共有7种同位素,原子量在到之间,其中最"稳定"的是号,但半衰期仅1.9秒。而理论预测的最稳定同位素质量数为。那我们能否人工合成号同位素,看看它是否真的很稳定呢?
这就又回到了前面提到的第二点,即缺乏足够的中子。有人提出,可以通过锔轰击钪生成号乌和两个中子,理论上是可行的,但目前技术还无法实现,因此我们暂且按下不表。
虽然稳定岛理论尚未被真正证实,但似乎也无法被彻底证伪,因为目前无法合成相应的元素来验证。如果真的存在稳定的超重元素,那无疑将是一个具有颠覆性的发现,意味着现有的元素周期表远未到头。
不过,也有一些积极的证据支持这一理论,比如钙48同位素拥有20个质子和28个中子,均为梅耶所谓的幻数。而与普通钙40相比,钙48多出大量中子,却表现出极高的稳定性。因此,钙48常被用作原料来合成更重的元素。
历史上,许多科学家就元素周期表是否有尽头提出过不同观点。梅耶根据幻数理论预测最后一个元素是号,因为在她看来,最后一个幻数就是。希伯格则根据自己的理论拓展出稳定岛理论,打破了这一界限。
理查德·费曼根据玻尔模型推算,最后一个元素应该是号,因为如果原子序数超过,位于第一能层第一能级的电子速度将超过光速,违反相对论。但这一理论后来因未考虑相对论效应而被驳斥。
芬兰化学家佩卡皮寇则提出最后一个元素是号,实际上这个结论最早是从狄拉克方程式推导出来的,结合了相对论效应。大于号时,距离原子核最近的S能级电子的能量将为负值,这意味着原子核可能从真空中捕获一个电子,同时产生一个正电子来保持能量守恒。另一种说法是,超过号后,原子核开始吞噬电子并与质子结合形成中子,导致原子序数逐步降低,直至回到号时重新稳定下来。
关于元素上限,还有号、号等其他说法,但目前都缺乏足够证据支撑。个人认为,稳定岛理论比较有意思,因为现有的不稳定人工元素,很可能是由于我们暂时无法合成具有相应幻数中子数的同位素所致。如果能延伸出去,或许真能发现新的超重稳定元素。但毫无疑问,越往后探索就越深入量子力学领域。
因此,研究元素周期表的尽头,对于我们了解原子内部原理大有裨益。或许会由于某种量子效应,使元素周期表不再延伸;又或许会由于某种未知效应,使其成为一个没有尽头的序列,这一切都有待进一步探索和观察。
作者声明：内容由AI生成
