Ostatni element ' s liczba atomowa

Tak naprawdę nikt nie wie. Korzystając z naiwnego modelu atomu Bohra, napotykamy kłopoty około $ Z = 137 $, ponieważ najbardziej wewnętrzne elektrony musiałyby poruszać się z prędkością powyżej prędkości światła . Wynik jest taki, że model Bohra nie bierze pod uwagę względności. Po rozwiązaniu równania Diraca, które pochodzi z relatywistycznej mechaniki kwantowej i biorąc pod uwagę, że jądro nie jest cząstką punktową, wydaje się, że nie ma rzeczywistego problemu z arbitralnym wysokie liczby atomowe, chociaż niezwykłe efekty zaczynają się pojawiać powyżej $ Z \ około 173 $. Wyniki te mogą zostać obalone przez jeszcze głębszą analizę za pomocą obecnej teorii elektrodynamiki kwantowej lub w ogóle nowej teorii.

O ile nam można jednak powiedzieć, że nigdy nie zbliżymy się do takich liczb atomowych. Bardzo ciężkie pierwiastki są skrajnie niestabilne w odniesieniu do rozpadu radioaktywnego na lżejsze pierwiastki. Nasza obecna metoda wytwarzania pierwiastków superciężkich polega na przyspieszaniu pewnego izotopu stosunkowo lekkiego pierwiastka i trafienie w cel wykonany z izotopu znacznie cięższego pierwiastka. Proces ten jest wyjątkowo nieefektywny, a wytworzenie znacznych ilości materiału zajmuje wiele miesięcy. co do pierwiastków, wykrycie nawet garstki atomów zajmuje lata. Bardzo krótka żywotność najcięższych celów i bardzo niska skuteczność kolizji między pociskiem a celem oznaczają, że będzie niezwykle trudno przejść znacznie dalej niż obecne 118 elementów. Możliwe, że możemy znaleźć nieco bardziej stabilne superciężkie izotopy na wyspach stabilności około $ Z = 114 $ i $ Z = 126 $, ale przewidywane najbardziej stabilne izotopy (które nawet wtedy nie powinny trwać dłużej niż kilka minut ) mają tak ogromną ilość neutronów w swoich jądrach, że nie mamy pojęcia, jak je wyprodukować; możemy zostać skazani na ominięcie brzegów wysp stabilności, nigdy się na nie wspinając.

EDYCJA : Zauważ, że najlepsze obliczenia przedstawione powyżej oparte są wyłącznie na elektrodynamice kwantowej, tzn. brane są pod uwagę tylko siły elektromagnetyczne. Oczywiście, aby przewidzieć, jak zachowają się jądra (a zatem ile protonów można wepchnąć do jądra, zanim nie będzie można pójść dalej), potrzebna jest szczegółowa wiedza na temat silnych i słabych sił jądrowych. Niestety, matematyczny opis sił jądrowych jest dziś nadal niezwykle trudnym problemem w fizyce , więc nikt nie może liczyć na udzielenie rygorystycznej odpowiedzi pod tym kątem.

być jakimś ograniczeniem, ponieważ resztkowe siły jądrowe mają bardzo krótki zasięg. W pewnym momencie będzie tak wiele protonów i neutronów jądro (a powstałe w wyniku tego jądro stanie się tak duże), że diametralnie przeciwległe części jądra nie będą w stanie „wykryć” siebie nawzajem, ponieważ są zbyt daleko. Każdy dodatkowy proton lub neutron powoduje słabszą stabilizację dzięki silnej sile jądrowej. Tymczasem odpychanie elektryczne między protonami ma nieskończony zasięg, więc każdy dodatkowy proton będzie działał tak samo odpychająco. To dlatego cięższe pierwiastki wymagają coraz wyższych stosunków neutronów do protonów, aby zachować stabilność.

Zatem przy pewnej liczbie atomowej, prawdopodobnie niewiele wyższej niż nasz obecny rekord, wynoszący Z = 118 $, odpychanie protonów zawsze wygrywa z silnym przyciąganiem jądrowym protonów i neutronów, bez względu na konfigurację jądra. W związku z tym wszystkie wystarczająco ciężkie jądra atomowe ulegną spontanicznemu rozszczepieniu prawie natychmiast po zaistnieniu lub wszystkie ważne ścieżki reakcji, aby dotrzeć do pierwiastka, będą wymagały zdarzeń, które są tak nieprawdopodobne, że gdyby zderzyły się nawet wszystkie nukleony w całym obserwowalnym Wszechświecie od czasu Wielkiego Wybuchu, próbując zsyntetyzować możliwie najcięższy pierwiastek, statystycznie spodziewalibyśmy się, że jakiś wystarczająco ciężki atom nie został wyprodukowany ani razu.

Komentarze

• Korzystając z modelu atomu na ï ve Bohra, napotykamy kłopoty około $ Z = 2 $ …
• @leftaroundabout Tylko w odniesieniu do dokładności poziomów energii, a nie stabilności samego atomu!
• W odniesieniu do jakiejkolwiek właściwości, jaką mają te atomy. Model Bohra po prostu nie ' nie sprawdza się w przypadku systemów dwuczęściowych, więc może ' t naprawdę mieć zastosowanie do atomy inne niż wodór (chociaż można to zastosować do $ \ ce {He} ^ + $ itp.).
• @leftaroundabout Wystarczająco.Myślę, że model Bohra ' jest często wymieniany ze względów historycznych, aby pokazać, że modele mogą wyznaczać limity (nawet jeśli są błędne) i ponieważ $ v ^ {1s} _e = Z \ alpha c $ to bardzo prosty wynik. Oczywiście samo równanie Diraca również jest przybliżeniem (bez wątpienia znacznie lepszym). Nie ' nie potrzebujemy nawet nowej teorii, aby obalić jej wnioski; w pewnym momencie jeszcze bardziej subtelne efekty QED staną się zauważalne, a o ile rozumiem, to, jak zmienią one ostateczny obraz, jest nadal nieznane.

Element ” ” musi być zdefiniowane jako zbiór wszystkich jąder atomowych o określonej liczbie protonów. Definicji opartych na elektronach (lub innych leptonach) nie można używać, ponieważ liczba elektronów powiązanych z pierwiastkiem zmienia się wraz z otoczeniem atomu.

Definiowanie ” jądro atomowe ” jako zbiór protonów i neutronów we wspólnej studni potencjału jądrowego, którego średnia żywotność jest duża w stosunku do czasu, w jakim zestaw się uformował. (Interakcja jądrowa zachodzi przez pewien okres czasu rzędu $ 1 \ times10 ^ {- 23} $ sek.)

Jeśli dodaj neutrony do jądra, każdy jest słabiej związany niż poprzedni. Ostatecznie ostatni dodany neutron jest niezwiązany, więc od razu wraca. Zwykle dzieje się to w czasie porównywalnym do $ 1 \ times10 ^ {- 23} $ s. Na każdą liczbę protonów Z przypada maksymalna liczba neutronów, nazwij ją Nd , które mogą znajdować się w jądrze z protonami Z . Zbiór nuklidów $ (Z, Nd) $ to krzywa na płaszczyźnie Z, N nazywanej linią kroplową neutronów. Linia kroplowa neutronów określa maksymalny rozmiar, jakie może mieć jądro z daną liczbą protonów.

Jeśli jądro z protonami Z ma za mało neutronów, stanie się jedna z dwóch rzeczy: Może wyrzucić proton lub może się rozszczepić. Jednak duże jądra prawie zawsze ulegają rozszczepieniu, więc „jest to ważne kryterium. Najprostszym możliwym do zastosowania modelem jądra atomowego jest ” model kropli cieczy „. Ponieważ jego ładunki próbują go rozdzielić, myślenie o jądrze jako małym, silnie obciążonym balonie daje lepsze wyobrażenie o działających siłach. Odpychanie elektryczne zmienia się jako $ (Z ^ 2 / r_ {eff}) $ gdzie $ r_ {eff} $ to odległość między równoważnymi ładunkami punktowymi. Co przyciąga jądro razem jest tym, co składa się na napięcie powierzchniowe – niezrównoważona spójność jądrowa – i całkowita ” energia powierzchniowa ” jest różna w zależności od $ (r ^ 2) $ , gdzie r to promień jądrowy. Stosunek energii Coulomba do energii powierzchni jest zdefiniowany przez $ (Z ^ 2 / r_ {eff}) * (1 / r ^ 2) = K $ . Ustaw $ r_ {e ff} = r $ . Objętość jądra atomowego jest proporcjonalna do całkowitej liczby cząstek, $ A = Z + N $ , w kolekcji. Oznacza to, że r zmienia się jako $ A ^ {1/3} $ , więc $ (Z ^ 2 / r ^ 3) = K = (Z ^ 2) / A $ . K nazywa się parametrem ” rozszczepialności. ” Podana wartość K definiuje zbiór jąder, które mają podobne bariery w modelu kropli cieczy przeciwko samoistnemu rozszczepieniu. Dla określonej wartości K $ N (Z) = (1 / K) * (Z ^ 2) – Z $ definiuje krzywą o stałej wysokości bariery rozszczepienia na płaszczyźnie $ (Z, N) $ . Jedna szczególna krzywa definiuje linię dzielącą zbiory nukleonów, dla których istnieje bariera rozszczepienia, oraz zbiory nukleonów, które ich nie posiadają. Innymi słowy, definiuje minimalną liczbę neutronów, jaką może mieć jądro o danym Z .

Co najmniej jeden model jądrowy zawiera jądra o wartości do 330 $ neutronów i 175 $ protonów ⁽¹⁾ . Równanie linii kroplowej neutronów jako funkcji Z można wyodrębnić z ich linii kroplowej. Drugiego równania dla $ N / Z $ jako $ f (Z) $ można użyć do skonstruowania alternatywna krzywa linii kropkowania. Linia kroplowa neutronów KUTY nie wykazuje żadnych dramatycznych zmian poniżej $ N = 330 $ . Jednak podczas ekstrapolacji w nieznane wydaje się rozsądne rozważenie górnej granicy neutronu count w jądrze, aby był 1/4 $ o rząd wielkości ( 1,77 $ ) razy większy.