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元素周期表最后元素的上限是137號嗎?

 炫葉楓雪 2021-04-24

我們知道目前元素周期表的最后元素已經(jīng)排到了118號,那么在118號元素后面是否還存在其他元素呢?其實是有的,根據(jù)理論,元素的上限是137個。元素數(shù)量的這種限制是因為宇宙中有一個最大速度。也就是真空中光速的極限。此外,僅用玻爾的原子模型和德布羅意的波粒子二元論就可以證明這一點。

元素周期表最后元素的上限是137號嗎?

值得注意的是,量子力學(xué)從來不會與經(jīng)典物理學(xué)發(fā)生沖突。量子力學(xué)研究的是比經(jīng)典物理更復(fù)雜的現(xiàn)象,而這些現(xiàn)象在宏觀上通常沒有形象的類比。例如,根據(jù)經(jīng)典定律,圍繞原子核運動的電子必須落在原子核上。既然原子存在,就得出了一個錯誤的結(jié)論:原子的經(jīng)典物理定律被違反了。但事實并非如此。古典法則是不可動搖的,電子不會落在原子核上,因為電子不是微粒。正是由于波粒二元論的存在,電子才不會落在原子核上。如果電子是一個微粒,也就是說,有一定半徑的粒子,它將不可避免地落在原子核上。經(jīng)典定律在原子中起作用,但電子不再是普通的經(jīng)典粒子,因此它的行為是不同的。這是理解量子力學(xué)和進一步介紹的一個非常重要的點。

元素周期表最后元素的上限是137號嗎?

因此,當我們考慮玻爾的原子模型時,我們假設(shè)電子像粒子一樣在圍繞原子核的軌道上運動??紤]到玻爾的互補原理,電子可以被視為一個粒子,在這個考慮中得到的所有特征都是正確的(需要澄清一下這是一個基本粒子)。但是,電子可以表現(xiàn)為波。只有將粒子描述和波動描述結(jié)合起來,才能獲得關(guān)于這一現(xiàn)象的全面信息。也就是說,關(guān)于電子圍繞原子核的運動。此外,我們再次注意到,從這些計算中獲得的所有特性都是正確的,并且符合實際情況(速度、波長等)。

元素周期表最后元素的上限是137號嗎?

因此,根據(jù)玻爾的理論,電子繞著原子核運動有一定的速度。從這里很容易得到周期表中化學(xué)元素數(shù)量的限制:1S電子在原子核周圍移動時的速度不能高于真空中的光速。而嚴格地說,原子中的電子沒有軌道。因為一般情況下對速度的經(jīng)典理解并不適用于原子中的電子。但是,如果我們遵循互補原理,那么電子作為微粒的速度是正確的。因此,無論電子處于什么量子態(tài),它有時不得不表現(xiàn)為微粒子(因為存在粒子波二元論)。這意味著這樣一個“微?!钡乃俣缺仨毿∮诠馑?。如果速度比真空中的光速高,那么這種電子狀態(tài)在原則上就不可能存在。這就是為什么用氫原子的玻爾模型,我們可以得到關(guān)于1S電子速度的正確結(jié)果。當然,如果真空中電子的速度高于光速,那么根據(jù)定義,這種化學(xué)元素就不可能存在。

如果我們有一個帶137電荷的原子核(Z=137),那么第一個玻爾軌道上的1S電子的速度將略低于真空中的光速。原子核電荷為138的化學(xué)元素已經(jīng)不可能存在,因為1S電子的速度已經(jīng)大于真空中的光速。這是不可能的。因此,Z=137的化學(xué)元素是元素周期表的理論極限。它有時被稱為Feynmanium。

元素周期表最后元素的上限是137號嗎?

理查德·費曼認為,原子序數(shù)大于Z=137時,中性原子不可能存在,理由是相對論性狄拉克方程預(yù)測,這種原子中最內(nèi)層電子的基態(tài)能量將是一個虛數(shù)。根據(jù)這一論點,中性原子不可能存在于非平衡之外,因此基于電子軌道的元素周期表在這一點上就會崩潰。然而,這個論點假定原子核是點狀的。一個精確的計算必須考慮到原子核的小而非零的大小,它被預(yù)測會把極限進一步推到Z≈173。

但是,從費米耶(Z=100)開始,電子在玻爾第一軌道上的速度開始接近真空中的光速。這些元素的半衰期(Z=100及以上)也會下降。此外,在Z=100時,元素半衰期的變化實際上是任意的。但是,當電子的速度開始接近光速時,半衰期的減少就變得自然了。也就是說,核電荷越高,壽命最長的同位素的半衰期越短。

很明顯,這是由于1S電子的相對論效應(yīng)。如果你看洛倫茲因子與速度的依賴關(guān)系圖,這一點就很清楚了。

元素周期表最后元素的上限是137號嗎?

從圖中可以明顯看出,從0.6℃到0.8℃的速度開始,洛倫茲因子開始快速增長。此外,從0.8℃開始,洛倫茲因子的增加變得更加迅速。從圖中可以明顯看出,元素半衰期的減少與1S電子相對論的增加有關(guān)。因此,原子核電荷大于118的元素的半衰期甚至更短,因為電子的相對論性將大大增加。這意味著下一個新元素的合成將是極其困難的。因此,F(xiàn)eynmanium(Z=137)確實是周期表中最后一個化學(xué)元素,洛倫茲因子與速度的依賴性清楚地證實了這一點。

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