Az utolsó elem ' s atomszáma

Senki sem tudja igazán. Az atom naiv Bohr-modelljét használva $ Z = 137 $ körüli problémákba ütközünk, mivel a legbelső elektronoknak a fénysebesség felett kellene mozogniuk . Ennek az az oka, hogy a Bohr-modell nem veszi figyelembe a relativitáselméletet. A relativisztikus kvantummechanikából származó Dirac-egyenlet megoldása és annak figyelembevétele, hogy a mag nem pontrészecske, akkor úgy tűnik, hogy nincs önkényesen probléma magas atomszámok, bár a szokatlan hatások elkezdenek bekövetkezni $ Z \ kb. 173 $ felett. Ezeket az eredményeket megdöntheti egy még mélyebb elemzés a jelenlegi kvantumelektrodinamikai elmélettel vagy egy új elmélet.

Ami Megállapíthatjuk azonban, hogy soha nem jutunk olyan közel az ilyen atomszámokhoz. A nagyon nehéz elemek rendkívül instabilak a könnyebb elemekre történő radioaktív bomlás szempontjából. Jelenlegi módszerünk a túlsúlyos elemek előállítására egy viszonylag könnyű elem bizonyos izotópjának felgyorsításán alapul. és egy sokkal nehezebb elem izotópjából készült célpont eltalálása. Ez a folyamat rendkívül nem hatékony, és jelentős mennyiségű anyag előállítása sok hónapot vesz igénybe. Évekbe telik még egy maroknyi atom felismerése is. A legnehezebb célpontok nagyon rövid élettartama, valamint a lövedék és a cél közötti nagyon alacsony ütközési hatékonyság azt jelenti, hogy rendkívül nehéz lesz sokkal tovább lépni, mint a jelenlegi 118 elem. Lehetséges, hogy valamivel stabilabb szupernehéz izotópokat találhatunk a stabilitás szigetein a $ Z = 114 $ és a $ Z = 126 $ körül, de az előrejelzett legstabilabb izotópok (amelyek várhatóan még akkor sem fognak néhány percnél tovább tartani) ) olyan hatalmas mennyiségű neutron van a sejtmagjukban, hogy fogalmunk sincs, hogyan lehet ezeket előállítani; elítélhetjük, hogy pusztán a stabilitás szigeteinek partjait szoktuk megmászni, miközben soha nem mászunk meg rajtuk.

EDIT : Vegye figyelembe, hogy a fent bemutatott legjobb számítás kizárólag a kvantumelektrodinamikán alapul, vagyis csak az elektromágneses erőket veszik figyelembe. Nyilvánvalóan annak megjóslásához, hogy a magok hogyan fognak viselkedni (és ezért hány protont tölthetnek be a sejtmagba, mielőtt tovább lehetetlen tovább menni), részletes ismeretekre van szükség az erős és gyenge nukleáris erőkről. Sajnos a nukleáris erők matematikai leírása ma is hihetetlenül nehéz probléma a fizikában , így senki sem remélheti, hogy ebből a szempontból szigorú választ ad.

Meg kell legyen valamilyen határérték, mivel a maradék nukleáris erők nagyon rövid hatótávolságúak. Egy bizonyos ponton annyi proton és neutron lesz a mag (és az így létrejövő mag olyan nagy lesz), hogy a mag átmérője ellentétes részei nem képesek “detektálni” egymást, mivel túl messze vannak. Minden további proton vagy neutron gyengébb stabilizációt eredményez az erős nukleáris erő révén. Eközben a protonok közötti elektromos taszításnak végtelen tartománya van, így minden további proton ugyanolyan visszataszítóan járul hozzá. Éppen ezért a nehezebb elemeknek egyre nagyobb neutron / proton arányra van szükségük ahhoz, hogy stabilak maradjanak.

Így bizonyos atomszámnál, amely valószínűleg nem sokkal magasabb, mint a jelenlegi rekordunk, a $ Z = 118 $, az elektromos a protonok taszítása mindig győzni fog a protonok és a neutronok erős nukleáris vonzereivel szemben, a mag konfigurációjától függetlenül. Ezért minden kellően nehéz atommag szinte azonnal létrejöttét követően spontán hasadást szenved, vagy egy elem eléréséhez az összes érvényes reakcióút olyan eseményeket igényel, amelyek olyan fantasztikusan valószínűtlenek, hogy ha a teljes megfigyelhető Univerzum összes nukleonjának is ütköznének az ősrobbanás óta a lehető legnehezebb elem szintetizálásának megkísérlése érdekében statisztikailag azt várnánk, hogy egy kellően nehéz atom még egyszer sem termelődik.

Megjegyzések

• Az atom na ï ve Bohr modelljének felhasználásával $ Z = 2 $ körüli problémákba ütközünk …
• @leftaroundabout Csak az energiaszintek pontossága, nem pedig az atom stabilitása szempontjából!
• Az atomok bármely tulajdonságát illetően. A Bohr modell egyszerűen ‘ nem működik másra, csak 2-testes rendszerekre, így ‘ nem igazán alkalmazható a következőre: atomok a hidrogén kivételével (bár ez jól alkalmazható a $ \ ce {He} ^ + $ stb. esetén is).
• @leftaroundabout About Fair.Gondolom, Bohr ‘ modellt történelmi okokból csak gyakran emlegetik, annak bemutatására, hogy a modellek korlátokat szabhatnak (még ha tévesen is), és azért, mert $ v ^ {1s} _e = Z \ alpha A c $ nagyon egyszerű eredmény. Természetesen maga a Dirac-egyenlet is közelítés (kétségkívül sokkal jobb). Nem kell még egy új elmélet sem a következtetések megdöntéséhez; valamikor még finomabb QED-hatások értékelhetővé válnak, és hogy miként változtatják meg a végső képet, még nem tudni, amennyire megértem.

An ” elem ” -ot úgy kell definiálni, mint az összes atommagot, amelyek meghatározott számú protonnal rendelkeznek. Az elektronokon (vagy más leptonokon) alapuló definíciók nem használhatók, mert hány elektron társul egy elemhez, az az atom környezetével változik.

Egy ” atommag ” protonok és neutronok halmazaként, egy közös nukleáris potenciál kútban, amelynek átlagos élettartama nagy a halmaz kialakulásához szükséges idő tekintetében. (A nukleáris interakció egy idő alatt $ 1 \ times10 ^ {- 23} $ sec sorrendben zajlik.)

Ha adjunk neutronokat egy maghoz, mindegyik gyengébben kötött, mint az utolsó. Végül az utolsó hozzáadott neutron nem kötött, így azonnal visszajön. Ez általában a $ 1 \ times10 ^ {- 23} $ sec értékkel összehasonlítható időn belül történik. Minden protonszámhoz, a Z hez, megadhatjuk a neutronok maximális számát, nevezzük Nd nek, amely a Z protonokkal rendelkező magban lehet. A nuklidok $ (Z, Nd) $ halmaza egy görbe egy Z, N síkon, amelyet neutroncseppvonalnak neveznek. A neutroncseppvonal meghatározza a maximális méretet, amelyet egy adott számú protonnal rendelkező mag tartalmazhat.

Ha a Z protonokat tartalmazó magban túl kevés a neutron, akkor a két dolog egyike fog történni: Kibocsáthatja a protont, vagy hasadhat. A nagy magok azonban szinte mindig hasadni fognak, tehát ez a fontos kritérium. Az atommag legegyszerűbb működőképes modellje a ” folyadékcsepp modell “. Mivel töltései megpróbálják széttolni, mégis, ha egy magot apró, erősen megterhelt ballonként gondolunk, jobb képet adunk a játékban lévő erőkről. Az elektromos taszítás $ (Z ^ 2 / r_ {eff}) $ ahol $ r_ {eff} $ az egyenértékű ponttöltések közötti távolság. Mi húzza meg a magot együttesen ez felel meg a felületi feszültségnek – kiegyensúlyozatlan nukleáris kohéziónak -, és az összes tárolt ” felületi energia ” $ (r ^ 2) $ , ahol a r a nukleáris sugár. A Coulomb és a felszíni energiák arányát a $ határozza meg (Z ^ 2 / r_ {eff}) * (1 / r ^ 2) = K $ . Állítson be $ r_ {e ff} = r $ . A nukleáris térfogat arányos a gyűjteményben lévő összes részecske számával, $ A = Z + N $ . Ez azt jelenti, hogy a r $ A ^ {1/3} $ , tehát $ (Z ^ 2 / r ^ 3) = K = (Z ^ 2) / A $ . A K t ” hasadási paraméternek nevezzük. ” A K adott értéke meghatározza azokat a magokat, amelyek hasonló folyadék-csepp modell gátakkal rendelkeznek a spontán hasadás ellen. A K megadott értékéhez a $ N (Z) = (1 / K) * (Z ^ 2) – Z $ görbét határoz meg állandó hasadási gátmagasságú a $ (Z, N) $ síkon. Az egyik görbe meghatározza azokat a nukleon halmazokat, amelyeknél hasadási gát létezik, és azokat, amelyek nem. Más szavakkal, meghatározza a minimális neutronszámot, amely egy adott Z magnak rendelkezhet.

Legalább egy magmodell tartalmaz magokat, legfeljebb 330 USD $ neutron és 175 USD $ proton ⁽¹⁾ . A neutroncseppvonal egyenlete a Z függvényében kivonható a cseppvonalukból. A $ N / Z $ második egyenlete $ f (Z) $ néven felhasználható egy váltakozó cseppvonal görbe. KUTY neutroncseppje nem mutat drámai változásokat $ N = 330 $ alatt. Mégis, amikor az ismeretlenbe extrapolálunk, körültekintőnek tűnik figyelembe venni a neutron felső határát a magban $ 1/4 $ nagyságrenddel ( $ 1,77 $ ) nagyobbak.