门捷列夫原子量对已知元素进行排列,并注意到随着原子量的增加,化学性质会周期性地重复出现。我们现在知道,化学性质取决于价电子的数量。每向原子核添加一个质子,价电子就会增加一个,直到电子层被填满。尽管他不了解质子,但门捷列夫确实注意到了他的元素周期表中的空白。他正确地将这些空白解释为尚未发现的四种元素,甚至能够预测它们的许多属性。


元素周期表现在有多少元素(元素周期表外还有稳定的元素吗)(1)


随着时间的推移,这些元素中的三种被发现了:钪、镓和锗。但是仍然缺少一种元素,就在钼和钌之间,我们发现它必具有43个质子的原子核。七十年来,化学家一直在寻找43号元素,但在自然界中无处可寻。但它最终被发现了,但不是在自然界中。


元素周期表现在有多少元素(元素周期表外还有稳定的元素吗)(2)


1937年,意大利物理学家Emilio Segrè得到了一些钼箔,这些钼箔曾是欧内斯特·劳伦斯新发明的回旋加速器的一部分。箔在加速器中呈现放射性,Segrè 和他的Carlo Perrier能够证明,一些钼获得了质子转化为43号元素。他们以希腊语“艺术”一词命名新元素为Technetium,中文名为锝。它是一种银灰色金属,化学性质介于锰和钌之间,元素周期表中位于锰之下和钌之上。


那么,当所有其他元素都可以在自然界中找到时,为什么我们必须人工生产锝呢?实际上锝也可以在自然界中产生,它是在超新星爆炸中形成的。但锝非常不稳定,以至于当地球从死星的碎屑中得到材料时,所有的锝早已消失。


元素可能不稳定的想法的一个更常见的术语是放射性,我们倾向于将其与铀和钚等非常重的元素联系起来。但实际上元素周期表上的任何元素都可能不稳定。更准确地说,元素周期表上的每个元素都有不稳定的同位素。“同位素”是指具有不同中子数量的同一元素的不同版本。


元素周期表现在有多少元素(元素周期表外还有稳定的元素吗)(3)


例如,一个碳原子的原子核中有6个质子。碳-12有6个中子,它非常稳定。而碳-14有8个中子,它非常不稳定,它有一个多余的中子在放出电子和中微子后转变成质子,从而将其转变为氮。每种元素都有不稳定的同位素,有些元素只有不稳定的同位素,较大的原子序数往往会产生较少的稳定同位素和较短的半衰期。具有超过118个质子的元素衰变得如此之快,以至于我们从未在实验室中检测。


事实上,稳定性取决于原子核中质子和中子之间的平衡。你可能会认为,经过一个半世纪的核物理学思考,我们已经弄清楚了所有这些规则。但实际上原子核的动力学是如此复杂,以至于需要复杂的计算机建模才能理解,然而许多谜团仍然存在。


原子核是极端力量处于微妙平衡的地方。一方面,我们有电磁力试图将所有带正电的质子分开,并且由于质子的距离很近,所以这种排斥力很大。另一方面,我们有更强大的核力将核子聚集在一起,它涉及在核子之间发送虚夸克包——介子。但重要的是要知道强力是短程效应,如果原子核变得太大,强力就无法将其保持在一起,各种类型的核衰变就不可避免。


强力虽然很强大,但在真正起作用的短短距离内,力量却没有太大的变化。然而,两个电荷越接近,电磁力就会越强。这意味着如果质子靠得太近,电磁力可以压倒强力,这是破坏原子核稳定性的另一种方式。这就是中子起作用的原因,它们有助于隔开质子,从而使强力强于电磁力。


元素周期表现在有多少元素(元素周期表外还有稳定的元素吗)(4)


对于较小的原子核(原子序数最多为 20),质子和中子的均匀分布通常是最稳定的。但对于较重的元素,需要越来越多的中子来提供缓冲,达到1.5或更高的中子与质子比。但这只是稳定性理论的一部分,它没有解释为什么单个中子的差异可能意味着稳定性的巨大差异,它也没有解释为什么锝没有稳定同位素。


要理解这一点,我们必须超越将原子核表示为一团混乱的质子和中子的想法。我们必须将这些核子视为具有能级,就像电子一样。高中化学课上讲过的:如果一个电子壳层有八个电子,它就是稳定的。类似的,有一些可以完成核壳的幻数,中子是2、8、20、28、50、82、126,质子是 2、8、20、28、50、82、114。原子核越接近这些数字,它就越稳定。


元素周期表现在有多少元素(元素周期表外还有稳定的元素吗)(5)


这些幻数都是偶数,那是因为核子根据它们的量子自旋配对,向上自旋和向下自旋导致净零自旋。这种自旋耦合意味着,即使质子或中子的数量不是幻数的,原子核仍然倾向于拥有偶数个质子,或者偶数个质子加中子。拥有未抵消自旋的质子或中子似乎不利于稳定性。


那这是否可以解释锝的不稳定性?当然,我们可以看出43不是质子的幻数,但是它附近的奇数元素,如47个质子的银,具有非常稳定的同位素。即使给 锝一个特定的中子数使它核子数为偶数也不济于事,例如,锝-96会在不到一小时内衰变。所以除了中子填充、核壳填充和自旋耦合之外,似乎还有更多神秘的力量在起作用。


事实证明,没有一套简单的原则可以确定核稳定性。有太多因素在起作用,解决这个问题的唯一方法就是模拟原子核。我们使用密度泛函理论等计算技术在这方面取得了一些显着的成功。这些模型仍然不完美,但它们做出了很多我们已经验证过的预测,还有一些我们还没有验证过的预测,例如稳定岛。


当我们将实验数据与我们的模拟相结合时,我们可以制作这样的图表,在这里我们可以看到这些幻数。质子数为幻数的元素具有更稳定的同位素,而中子数接近幻数的元素往往有更多的同位素。模式出现了,但并没有为我们提供产生稳定核所需条件的清晰规则。


元素周期表现在有多少元素(元素周期表外还有稳定的元素吗)(6)


那么,是否还有元素周期表上没有的元素呢?我们的计算表明,当前元素周期表之外的质子和中子可能有更多的幻数,我们的计算机模拟也同意这个观点。我们不确定这些幻数是多少,但显然它们在中子184和质子126附近,它们的半衰期可能为数百万年。


来源:万象经验

编辑:深浅


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