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元素週期表第七週期已滿,新元素如何創造?元素週期表盡頭在哪?

雖然IUPAC(國際純粹與應用化學聯合會)早在2015年就確認了第118號元素的發現,但是這已經距離它的首次發現過去了近十年之久。早在2006年10月16日美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室就宣佈,他們利用俄羅斯杜布納的U400迴旋加速器實驗裝置將鈣-40離子加速,然後撞擊人造元素鉲-249,從而獲得了第118號元素氣奧(Oganesson),該元素僅存在了約萬分之九秒,便開始衰變為116號元素Lv,緊接著是11號元素鈇,然後是112號元素鎶,最終一分為二。

元素週期表第七週期已滿,新元素如何創造?元素週期表盡頭在哪?

118號氣奧元素的發現標誌著元素週期表第七週期元素已經全部發現,從最簡單的氫元素到第九十四號鈽元素都是地球上天然存在的元素,剩下的二十四種元素則是人工合成元素,但這並不意味著第118號氣奧(Og)元素就是元素週期表的終結。1869年俄羅斯科學家門捷列夫把當時已知的60多種元素按照質量和化學性質排出順序,這便是最早的元素週期表,在之後的一個半世紀中,經過無數科學家的努力才有了我們現在認識到的元素週期表,那麼這麼多的元素是怎麼來的呢?

元素週期表第七週期已滿,新元素如何創造?元素週期表盡頭在哪?

我們知道元素是具有相同核內質子數的一類原子的總稱,因此僅有一個質子的氫元素也就是最基礎的元素了。氫元素的數量在我們的宇宙中佔比高達百分之九十以上,作為最基礎的元素,它的形成自然來自於最初的宇宙大爆炸,目前的理論認為,我們的宇宙誕生於137億年前的奇點大爆炸,伴隨著空間的膨脹,宇宙中出現了夸克、電子等組成質子的基礎粒子,由於爆炸之初的宇宙依然是極端的高溫高壓狀態,這些基礎粒子依然是遊離狀態,整個宇宙就類似於“一鍋基礎粒子湯”,伴隨著空間膨脹,整個宇宙的溫度也逐漸降低,此時“夸克禁閉”效應開始發揮作用,使這些基礎粒子結合形成質子,質子的形成其實也就代表了氫元素的形成,但是真正的氫原子的形成是在宇宙大爆炸之後很久的事件了,在此之前由於熾熱的溫度,原子核無法捕獲電子形成原子。

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宇宙大爆炸之後經過上億年的膨脹,第一批恆星開始形成,較輕的元素在恆星內部透過核融合反應從而製造出更重的元素,這種元素“加工”機制可以創造出鐵元素之前的所有元素,但是鐵之後的元素就力不從心了,更重的元素需要透過更為極端的天體事件產生,比如超新星爆炸或者中子星撞擊等。

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人造元素的製造主要從上世紀40年代開始,美、俄以及其他歐洲國家都爭相利用人工方式合成新元素,人工合成新元素主要依靠重離子加速器,透過粒子加速器可以使離子打破自身與靶核之間的庫倫斥力,從而產生核融合反應形成更重的元素。比如第113號元素是透過鋅-30轟擊鉍-83獲得,這個結果歷時80天轟擊了1.7×10^19次才得以實現;第112號元素釒哥是透過鋅原子轟擊鉛靶獲得;第116號元素釒立(Livermorium,Lv)是透過鈣轟擊鋦靶獲得。

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既然透過簡單的粒子撞擊可以獲得超重元素,那麼為什麼這麼多年來僅合成了二十四種呢?首先來說超重元素本身就十分的不穩定,由於其組成質子非常多,質子間的庫倫斥力在萬分之幾秒之內就會導致原子本身開始分崩離析,也就是重元素的自發衰變。除此之外,並不是所有的粒子碰撞都能融合成新元素,比如第113號元素經過了四百萬億次左右的撞擊實驗才獲得了3個新元素粒子,新粒子一旦在碰撞中誕生,還要有及時的檢測手段,如果檢測儀器效應慢、靈敏度低,那麼新粒子的發現也就遺憾的錯過了。當然,新元素要想獲得國際社會的承認,其實驗還要有可重複性才行,這也是許多新粒子在發現許多年之後才被國際組織確認並命名的主要原因。第8週期的首個元素119號Uue,科學家其實早在1985年就利用Ca-48離子轟擊Es-254進行了轟擊實驗,但是實驗中併為觀測到119號元素的產生。

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人造元素已佔到目前發現元素的五分之一,那麼元素週期表會有盡頭嗎?目前來看,人工合成的新元素隨著原子序數的增加,其穩定性也會越來越差,在短時間內衰變為較輕的元素,但也有科學家認為當原子核中的質子和中子數大於一定數量時,也可能形成穩定的超重元素,這就是“超重元素穩定島”理論,上世紀六十年代,科學家透過原子核殼層模型理論提出過超重元素穩定島的理論,該理論認為質子數在114,中子數為184的核素附近應該存在一定範圍的穩定超重元素,其半衰期可能高達數十億年,雖然後來發現的114號元素並不符合該理論預計,但是114號元素的壽命確實比附近的超重元素更長一些。

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除此之外,超重元素穩定島理論還推測出元素週期表的末尾可能是126號元素,不過對於這個說法也有其他不同的聲音,比如美國物理學家理查德費曼透過精細結構常數推算,最末位元素應該是137號元素,而狹義相對論則認為172號元素才是終極元素,因為更重的元素會導致外側電子超光速執行。2011年,芬蘭化學家佩卡·皮剋制作了一張“終極週期表”,囊括了理論上可能存在的全部元素,根據皮克的預測,電子的軌道只能達到第9週期。不論哪一種理論勝出,顯然118號元素並不是元素週期表的盡頭。

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“終極週期表?”

感謝瀏覽。

分類: 汽車
時間: 2022-02-15

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