目前,世界各地的研究人員正在爭先奪后地合成元素周期表的下一個元素:含119個質(zhì)子的原子。不過,密歇根州立大學(xué)的核物理學(xué)家Witold Nazarewic提出:我們有理由認(rèn)為,元素周期表不是無限的。當(dāng)然,預(yù)測極限并不容易。
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(zhì)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(dāng)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(xué)的前沿領(lǐng)域,代表著舊法則不再適用的領(lǐng)域。沒有人知道元素周期表的盡頭在哪里。理論認(rèn)為,我們最多可以將184個質(zhì)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(yīng)該具有不同尋常的電子結(jié)構(gòu)。
這里有個哲學(xué)問題:當(dāng)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(wěn)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并制造出更大的原子核,但如果這些原子核尚未抓牢電子就產(chǎn)生衰變了,那么它們還能算是原子嗎?
即便有些原子足夠穩(wěn)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(zhì)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(yù)期運行模式,還會產(chǎn)生Coulomb frustration(未查到對應(yīng)中文翻譯)。通常,原子的表面能足以使它大致呈球體形狀。當(dāng)Coulomb frustration足夠大時,原子核會出現(xiàn)隆起和空洞,威脅自身的穩(wěn)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(yán)重問題。
此外,量子效應(yīng)和相對論效應(yīng)也使我們難以預(yù)測這類超大原子核的特性。再以O(shè)g元素為例。從原子序數(shù)上看,它屬于惰性氣體。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(guī)律,那么我們便應(yīng)該重新摸索它們的規(guī)律。
本文譯自 sciencealert,由譯者 蛋花 基于創(chuàng)作共用協(xié)議(BY-NC)發(fā)布。
原作者:MIKE MCRAE