Viimeisen elementin ' s atominumero

Kukaan ei oikeastaan tiedä. Käyttämällä naiivista Bohr-atomimallia törmäämme vaikeuksiin $ Z = 137 $: n ympärillä, koska sisimpien elektronien olisi liikkuttava valon nopeuden yläpuolella . Tulos johtuu siitä, että Bohr-malli ei ota huomioon suhteellisuusteoriaa. Ratkaisemalla relativistisesta kvanttimekaniikasta peräisin oleva Dirac-yhtälö ja ottaen huomioon, että ydin ei ole pistepartikkeli, mielivaltaisesti ei näytä olevan todellista ongelmaa. korkeat atomiluvut, vaikka epätavallisia vaikutuksia alkaa tapahtua yli $ Z \ n. noin 173 $. Nämä tulokset voidaan kumota vielä syvemmällä analyysillä nykyisellä kvanttielektrodynamiikkateorialla tai kokonaan uudella teorialla.

Sikäli kuin me Voimme kuitenkin kertoa, ettemme koskaan pääse mihinkään lähelle tällaisia atomilukuja.Erittäin raskaat alkuaineet ovat erittäin epävakaita suhteessa radioaktiiviseen hajoamiseen kevyemmiksi elementeiksi.Nykyinen menetelmä yliraskaiden alkuaineiden tuottamiseksi perustuu suhteellisen kevyen elementin tietyn isotoopin kiihdyttämiseen ja lyödä kohde, joka on tehty paljon raskaamman elementin isotoopista. Tämä prosessi on äärimmäisen tehoton, ja huomattavien materiaalimäärien tuottaminen vie useita kuukausia. Useimpien atomien havaitseminen vie vuosia. Raskaimpien kohteiden hyvin lyhyt käyttöikä ja ammuksen ja kohteen välinen erittäin alhainen törmäystehokkuus merkitsevät sitä, että on erittäin vaikeaa mennä paljon pidemmälle kuin nykyiset 118 elementtiä. On mahdollista, että voimme löytää jonkin verran vakaampia superraskaita isotooppeja vakauden saarilta noin $ Z = 114 $ ja $ Z = 126 $, mutta ennustettujen vakaimpien isotooppien (joiden silloinkin ei odoteta kestävän enempää kuin muutama minuutti) ) ytimissään on niin valtava määrä neutroneja, että meillä ei ole aavistustakaan kuinka niitä tuottaa; meidät voidaan tuomita pelkästään asettamaan vakauden saarien rannat, mutta emme koskaan kiipeä niitä.

EDIT : Huomaa, että yllä esitetty paras laskelma perustuu pelkästään kvanttielektrodynamiikkaan, ts. vain sähkömagneettiset voimat otetaan huomioon. On selvää, jotta voidaan ennustaa, kuinka ytimet käyttäytyvät (ja siksi kuinka monta protonia voit työntää ytimeen, ennen kuin on mahdotonta mennä pidemmälle), tarvitaan yksityiskohtaista tietoa vahvista ja heikoista ydinvoimista. Valitettavasti ydinvoimien matemaattinen kuvaus on nykyäänkin uskomattoman vaikea fysiikan ongelma , joten kukaan ei voi toivoa antavansa tiukkaa vastausta tästä näkökulmasta.

On oltava ole jokin raja, koska jäännösydinvoimat ovat hyvin lyhyen kantaman. Jossain vaiheessa siellä on niin paljon protoneja ja neutroneja ydin (ja tuloksena olevasta ytimestä on tullut niin suuri), että ytimen diametraalisesti vastakkaiset osat eivät pysty ”havaitsemaan” toisiaan, koska ne ovat liian kaukana. Jokainen ylimääräinen protoni tai neutroni tuottaa heikomman stabiloinnin vahvan ydinvoiman välityksellä. Samaan aikaan protonien välisellä sähköisellä hylkimisellä on ääretön alue, joten jokainen ylimääräinen protoni vaikuttaa vastenmielisesti samalla tavalla. Siksi raskaammat elementit tarvitsevat yhä suurempia neutroni-protoni-suhteita pysyäkseen vakaina.

Joten tietyllä atomiluvulla, mahdollisesti ei paljon korkeammalla kuin nykyinen ennätyksemme $ Z = 118 $, sähköinen protonien hylkääminen voittaa aina protonien ja neutronien voimakkaita ydinvoimaloita vastaan, riippumatta ytimen kokoonpanosta. Siksi kaikki riittävän raskaat atomiytimet kärsivät spontaanisti fissiosta melkein heti syntymisen jälkeen, tai kaikki kelvolliset reaktioreitit elementin saavuttamiseksi edellyttävät tapahtumia, jotka ovat niin fantastisen epätodennäköisiä, että vaikka edes kaikki havaittavissa olevan maailmankaikkeuden nukleonit törmättäisivät keskenään alkuräjähdyksen jälkeen yritettäessä syntetisoida raskain mahdollinen elementti, odotamme tilastollisesti, että jotakin riittävän raskasta atomia ei ole tuotettu edes kerran.

Kommentit

• Käyttämällä atomin na ï ve Bohr -mallia, törmäämme vaikeuksiin noin $ Z = 2 $ …
• @leftaroundabout Ainoastaan energiatasojen tarkkuuden suhteen, ei itse atomin vakauden suhteen!
• Mitä tulee näihin atomeihin kuuluviin mihin tahansa ominaisuuksiin. Bohr-malli ei yksinkertaisesti toimi ’ t vain muilla kuin 2-runkoisilla järjestelmillä, joten se ei ’ t sovellu mihinkään muut atomit kuin vety (vaikka se voi hyvin soveltua myös $ \ ce {He} ^ + $: iin jne.).
• @ vasemmalla puolella tarpeeksi reilua.Luulen, että Bohr ’ -malli mainitaan usein historiallisista syistä osoittaakseen, että mallit voivat asettaa rajoituksia (vaikka väärin) ja koska $ v ^ {1s} _e = Z \ alfa c $ on hyvin yksinkertainen tulos. Tietysti itse Dirac-yhtälö on myös likiarvo (paljon parempi epäilemättä). Emme ’ tarvitse edes uutta teoriaa kumoamaan johtopäätöksensä; jossain vaiheessa vieläkin hienovaraisemmat QED-vaikutukset tulevat tuntuviksi, ja kuinka ne muuttavat lopullista kuvaa, ei ole vielä tiedossa.

” -elementti ” on määriteltävä kaikkien atomiytimien joukoksi, joissa on tietty määrä protoneja. Elektroneihin (tai muihin leptoneihin) perustuvia määritelmiä ei voida käyttää, koska kuinka moni elektroni liittyy elementtiin, muuttuu atomin ympäristössä.

” atomituuma ” protonien ja neutronien joukona, yhteisessä ydinpotentiaalikaivossa, jonka keskimääräinen elämä on suuri verrattuna aikaan, jonka sarjan muodostuminen kesti. (Ydinvuorovaikutus tapahtuu ajan kuluessa $ 1 \ kertaa10 ^ {- 23} $ s. Järjestyksessä.)

Jos Lisää neutroneja ytimeen, kukin on heikommin sitoutunut kuin edellinen. Lopulta viimeinen lisätty neutroni on sitoutumaton, joten se tulee heti takaisin. Yleensä tämä tapahtuu $ 1 \ kertaa10 ^ {- 23} $ sekuntia vastaavassa ajassa. Jokaiselle protoniluvulle, Z , on enimmäismäärä neutroneja, kutsu sitä Nd , jotka voivat olla ytimessä Z protonien kanssa. Nuklidien joukko $ (Z, Nd) $ on käyrä Z, N -tasossa, joka tunnetaan nimellä neutronin tippulinja. Neutronitippulinja määrittelee ytimen enimmäiskoon, jolla voi olla tietty määrä protoneja.

Jos ytimessä, jossa on Z protoneja, on liian vähän neutroneja, tapahtuu toinen kahdesta asiasta: Se voi poistaa protonin tai se voi hajota. Suuret ytimet hajoavat kuitenkin lähes poikkeuksetta, joten se on tärkeä kriteeri. Yksinkertaisin toimiva atomiatumamalli on ” nestepisaramalli ”. Koska sen lataukset yrittävät työntää sitä erilleen, ajatus ytimestä pieneksi, erittäin rasittuneeksi ilmapalloksi antaa paremman käsityksen pelivoimista. Sähköinen karkotus vaihtelee $ (Z ^ 2 / r_ {eff}) $ missä $ r_ {eff} $ on etäisyys vastaavien pistemaksujen välillä. Mikä vetää ydintä yhdessä lasketaan pintajännitys – epätasapainoinen ydinkoheesio – ja varastoitu ” pintaenergia ” vaihtelee $ (r ^ 2) $ , jossa r on ydinsäde. Coulombin ja pintaenergioiden välinen suhde määritetään $ (Z ^ 2 / r_ {eff}) * (1 / r ^ 2) = K $ . Aseta $ r_ {e ff} = r $ . Ydintilavuus on verrannollinen kokoelman hiukkasten kokonaismäärään, $ A = Z + N $ . Tämä tarkoittaa, että r vaihtelee $ A ^ {1/3} $ , joten $ (Z ^ 2 / r ^ 3) = K = (Z ^ 2) / A $ . K : ia kutsutaan ” hajautumisparametriksi. ” K : n annettu arvo määrittelee joukon ytimiä, joilla on samanlaiset neste-pisara-mallin esteet spontaania fissiota vastaan. Määritetylle arvolle K $ N (Z) = (1 / K) * (Z ^ 2) – Z $ määrittää käyrän halkeamiskerroksen tasainen korkeus $ (Z, N) $ -tasossa. Yksi erityinen käyrä määrittelee rivinjakajajoukot nukleoneille, joille on olemassa fissioesteet, ja nukleonijoukot, joilla ei ole. Toisin sanoen se määrittää neutronien vähimmäismäärän, joka tietyn Z : n ytimellä voi olla.

Ainakin yksi ydinmalli sisältää ytimiä, joissa on enintään 330 $ $ neutronit ja 175 $ $ protonit ⁽¹⁾ . Neutronitippulinjan yhtälö Z : n funktiona voidaan poimia niiden tippulinjasta. $ N / Z $ : n toista yhtälöä muodossa $ f (Z) $ voidaan käyttää Vaihtoehtoinen tippukäyrä. KUTY: n neutronidivolinja ei osoita dramaattisia muutoksia $ N = 330 $ alapuolella. Silti ekstrapoloimalla tuntemattomaksi näyttää järkevältä harkita neutronin ylärajaa laskea ytimessä $ 1/4 $ suuruusluokan ( 1,77 $ $ ) kertaa suurempi.