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元素周期表有尽头吗?

摘要: 1869年,俄国化学家德米特里·门捷列夫(Dmitry Mendeleev)按照相对原子质量由小到大排列,将化学性质相似的元素放在同一纵行,编制出第一张元素周期表。元素周期表揭示了化学元素之间的内在联系,使其构成了一个完 ...

1869年,俄国化学家德米特里·门捷列夫(Dmitry Mendeleev按照相对原子质量由小到大排列,将化学性质相似的元素放在同一纵行,编制出第一张元素周期表。元素周期表揭示了化学元素之间的内在联系,使其构成了一个完整的体系,成为化学发展史上的重要里程碑之一。随着科学的发展,元素周期表中未知元素留下的空位先后被填满。当原子结构的奥秘被发现时,编排依据由相对原子质量改为原子的质子数﹙核外电子数或核电荷数﹚,形成现行的元素周期表(如图1所示)。元素周期表表揭示了物质世界的秘密,把一些看来似乎互不相关的元素统一起来,组成了一个完整的自然体系。它的发明,是近代化学史上的一个创举,对于促进化学的发展,起了巨大的作用。2019年将是元素周期表诞生150周年,因此,联合国宣布2019年为国际化学元素周期表年(International Year of the Periodic Table of Chemical Elements, IYPT 2019)。目前,元素周期表如图1所示。由图1可知,目前已经发现并获得认可的化学元素有118种,即第七周期的元素已经填满。元素周期表到此为止,还是有可能开辟第八周期?这是一个值得关注的问题。

元素周期表

201868日,美国密歇根州立大学(Michigan State UniversityMSU)的研究人员,在Nature Physics Perspective上发表论文——Witold Nazarewicz, The limits of nuclear mass and charge, Nature Physics (2018). DOI: 10.1038/s41567-018-0163-3

The limits of nuclear mass and charge.pdf

对于上述问题给出了探索性回答。物理学家组织网(Phys.org)对此也有报道——Is there an end to the periodic table? MSU professor explores its limits

Fig. 2 Is there an end to the periodic table? Illustration of part of periodic table of elements with four new elements in period 7 called out, with oganesson element specifically highlighted. Credit: Erin O'Donnell, National Superconducting Cyclotron Laboratory, and Andy Sproles, Oak Ridge National Laboratory

 

2019年将是德米特里·门捷列夫(Dmitry Mendeleev)创建元素周期表150周年。因此,联合国宣布2019年为国际化学元素周期表年(IYPT 2019)。在其诞辰150年即将来临之际,元素周期表又增添了新成员。就在2016年,又增加了四种新元素:113号元素Nh(nihonium)115号元素Mc(moscovium)117 号元素Ts(tennessine)118号元素Og(oganesson)。这四种元素花了十年时间,而且是全世界的努力才最终迎来确认。现在科学家们想知道:这张周期表究竟能走多远?在最近的《自然物理学视觉》中,可以找到一些答案。Witek NazarewiczMSU的物理学教授,也是稀有同位素束的首席科学家(chief scientist at the Facility for Rare Isotope Beams)。

所有含有超过104个质子的元素都被标记为超重元素,它们是科学家们试图揭开的巨大的、完全未知领域的一部分。据预测,有多达172个质子的原子可以形成一个由核力结合在一起的原子核。这种力是阻止它衰变的原因,但只是多少分之一秒的时间。

这些实验室制造的核子是非常不稳定的,在它们形成后不久就会自然衰变。对于比Og更重的元素来说,衰变的可能会更快,以至于阻止它们有足够的时间来吸引和捕获一个电子来形成一个原子。如果它们来不及捕获一个电子就已经衰变为其它物质,这意味着它们将用一生的时间来作为质子和中子的集合体。如果是这样的话,这将挑战当今科学家定义和理解原子的方式。它们不能再被描述为一个中心核,电子绕着它旋转,就像行星绕太阳运行一样。至于这些核子(nuclei)是否能形成,仍然还是一个谜。

科学家们正在缓慢而坚定地进入该区域,通过元素合成超重元素,不知道它们会是什么样子,也不知道最终会变成什么样子。在几个实验室里,主要在俄罗斯核研究联合研究所(Joint Institute for Nuclear Research in Russia)、德国的GSI和日本的理研所(RIKEN),继续寻找第119号元素。如果119号元素存在,它将是开辟第8周期的第一位。核理论缺乏可靠地预测合成它们所需的最佳条件的能力,所以你必须进行猜测,并进行核聚变实验,直到你找到一些东西。说起来很容易,但是要真正找到谈何容易,至少也需要花费好几年的功夫, Witek Nazarewicz说。

尽管MSU的稀有同位素束新设施还没有产生这些超重的系统,但是至少在目前的设计中,它可能会清楚地揭示出可以用什么反应,从而拓展当前实验方法的范围。如果元素119被确认,它将为元素周期表增加第8周期。Witek Nazarewicz说,这一发现可能不会太遥远:很快。可能是现在,也可能是两到三年。我们不知道。实验正在进行之中。

另一个令人兴奋的问题仍然存在。超重原子核能在太空中产生吗?人们认为,这些可以在中子星的合并中形成,这是一种非常强大的恒星碰撞,它可以撼动整个宇宙的结构。在这样的恒星环境中,中子是丰富的,原子核可以与越来越多的中子融合,形成更重的同位素。它会有相同的质子数,因此是相同的元素,但更重。这里的挑战是,沉重的原子核是如此不稳定,以至于它们在加入更多的中子并形成这些超重原子核之前就会分裂。这阻碍了它们在恒星中产生。人们希望通过先进的模拟,科学家能够通过观察到的合成元素的模式看到这些难以捉摸的原子核。

随着实验能力的进步,科学家们将会把这些更重的元素添加到重新设计的周期表中。与此同时,他们只能好奇这些奇异的系统将会有什么吸引人的应用。我们不知道他们长什么样,这就是挑战,” Witek Nazarewicz说,但到目前为止,我们所了解到的可能是我们所知的元素周期表的终结。

MSU正在为美国能源部科学办公室的核物理办公室(Office of Nuclear Physics in the U.S. Department of Energy Office of Science)建立放射性同位素束流装置(FRIB)作为一个新的科学用户设施。FRIB将使科学家们能够发现稀有同位素的特性,以便更好地了解原子核物理、核天体物理学、基本的相互作用和社会应用,包括医学、国土安全和工业。更多信息请注意浏览原文或者相关报道。本文来自诸平科学网博客


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2018-7-11 11:29
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