Ultimul element ' numărul atomic

Nimeni nu știe cu adevărat. Folosind modelul naiv Bohr al atomului, avem probleme în jurul valorii de $ Z = 137 $, deoarece electronii cei mai interiori ar trebui să se deplaseze peste viteza luminii . Acest rezultat se datorează faptului că modelul Bohr nu ține cont de relativitate. Rezolvarea ecuației Dirac, care provine din mecanica cuantică relativistă și luând în considerare faptul că nucleul nu este o particulă punctuală, atunci se pare că nu există nicio problemă reală în mod arbitrar. numere atomice ridicate, deși efecte neobișnuite încep să apară peste $ Z \ aprox 173 $. Aceste rezultate pot fi răsturnate de o analiză și mai profundă cu teoria actuală a electrodinamicii cuantice, sau cu o nouă teorie cu totul.

În măsura în care noi Cu toate acestea, nu vom ajunge niciodată aproape de astfel de numere atomice. Elementele foarte grele sunt extrem de instabile în ceea ce privește decăderea radioactivă în elemente mai ușoare. Metoda noastră actuală de a produce elemente supraîncărcate se bazează pe accelerarea unui anumit izotop al unui element relativ ușor. și lovirea unei ținte dintr-un izotop al unui element mult mai greu. Acest proces este extrem de ineficient și durează multe luni pentru a produce cantități semnificative de material. Est elemente, este nevoie de ani pentru a detecta chiar și o mână de atomi. Durata de viață foarte scurtă a celor mai grele ținte și eficiența foarte mică a coliziunii dintre proiectil și țintă înseamnă că va fi extrem de dificil să mergi mult mai departe decât cele 118 elemente actuale. Este posibil să găsim izotopi super-grei ceva mai stabili în insulele de stabilitate în jurul valorii de $ Z = 114 $ și $ Z = 126 $, dar cei mai stabili izotopi preziși (care nici măcar atunci nu se așteaptă să dureze mai mult de câteva minute ) au o cantitate atât de mare de neutroni în nucleele lor încât nu avem nicio idee cum să le producem; s-ar putea să fim condamnați să învârtim doar țărmurile insulelor stabilității, în timp ce nu le urcăm niciodată.

EDIT : Rețineți că cel mai bun calcul prezentat mai sus se bazează numai pe electrodinamica cuantică, adică sunt luate în considerare doar forțele electromagnetice. Evident, pentru a prezice modul în care se vor comporta nucleele (și, prin urmare, câți protoni puteți înghesui într-un nucleu înainte de a fi imposibil să mergeți mai departe), este nevoie de o cunoaștere detaliată a forțelor nucleare puternice și slabe. Din păcate, descrierea matematică a forțelor nucleare este încă o problemă extrem de dură în fizică astăzi , așa că nimeni nu poate spera să ofere un răspuns riguros din acel unghi.

fi unele limită, deoarece forțele nucleare reziduale sunt foarte scurte. La un moment dat vor fi atât de mulți protoni și neutroni în nucleul (și nucleul rezultat vor fi devenit atât de mari) încât părțile diametral opuse ale nucleului nu vor putea să se „detecteze” reciproc, deoarece sunt prea departe. Fiecare proton sau neutron suplimentar produce o stabilizare mai slabă prin intermediul forței nucleare puternice. Între timp, repulsia electrică între protoni are o rază infinită, deci fiecare proton suplimentar va contribui repulsiv la fel. Acesta este motivul pentru care elementele mai grele au nevoie de rapoarte neutron-proton mai mari și mai mari pentru a rămâne stabile.

Astfel, la un anumit număr atomic, posibil nu cu mult mai mare decât recordul nostru actual de $ Z = 118 $, respingerea protonilor va câștiga întotdeauna împotriva atracțiilor nucleare puternice ale protonilor și neutronilor, indiferent de configurația nucleului. Prin urmare, toate nucleele atomice suficient de grele vor suferi fisiune spontană aproape imediat după intrarea în existență, sau toate căile de reacție valide pentru a ajunge la un element vor necesita evenimente care sunt atât de fantastic de improbabile încât, chiar dacă toți nucleonii din întregul Univers observabil ar fi coliziuni între noi, de la Big Bang, în încercarea de a sintetiza cel mai greu element posibil, ne-am aștepta statistic că un atom suficient de greu nu ar fi fost produs nici măcar o dată.

Comentarii

• Folosind modelul na ï ve Bohr al atomului, avem probleme în jurul valorii de $ Z = 2 $ …
• @leftaroundabout Doar în ceea ce privește precizia nivelurilor de energie, nu stabilitatea atomului în sine!
• În ceea ce privește orice proprietate pe care o au acești atomi. Modelul Bohr pur și simplu nu ‘ funcționează pentru nimic altceva decât sistemele cu 2 corpuri, deci se poate aplica ‘ cu adevărat la atomi , în afară de hidrogen (deși se poate aplica la $ \ ce {He} ^ + $ etc.).
• @leftaroundabout Destul de corect.Cred că modelul lui Bohr ‘ este menționat adesea din motive istorice, pentru a arăta că modelele pot seta limite (chiar dacă sunt greșite) și pentru că $ v ^ {1s} _e = Z \ alpha c $ este un rezultat foarte simplu. Desigur, ecuația Dirac în sine este, de asemenea, o aproximare (una mult mai bună, fără îndoială). Nu avem ‘ nici măcar nevoie de o nouă teorie pentru a răsturna concluziile sale; la un moment dat efecte QED și mai subtile vor deveni apreciabile și modul în care vor modifica imaginea finală este încă necunoscut, din câte am înțeles.

Un ” element ” trebuie definit ca ansamblul tuturor nucleelor atomice care au un număr specificat de protoni. Definițiile bazate pe electroni (sau alte leptoni) nu pot fi utilizate deoarece câți electroni sunt asociați cu un element se modifică cu mediul atomului.

Definirea unui ” nucleu atomic ” ca un set de protoni și neutroni, într-o fântână de potențial nuclear comun, a cărei durată medie de viață este mare în ceea ce privește timpul necesar formării setului. (O interacțiune nucleară are loc pe o perioadă de timp de ordinea $ 1 \ times10 ^ {- 23} $ sec.)

Dacă adăugați neutroni la un nucleu, fiecare fiind legat mai slab decât cel din urmă. În cele din urmă, ultimul neutron adăugat este nelegat, deci revine imediat. De obicei, acest lucru se întâmplă într-un timp comparabil cu $ 1 \ times10 ^ {- 23} $ sec. Pentru fiecare număr de protoni, Z , există un număr maxim de neutroni, numiți-l Nd , care poate fi într-un nucleu cu protoni Z . Setul de nuclizi $ (Z, Nd) $ este o curbă pe un plan Z, N cunoscut sub numele de linia de drift neutronică. Linia de drift neutronică definește dimensiunea maximă pe care o poate avea un nucleu cu un număr dat de protoni.

Dacă un nucleu cu protoni Z are prea puțini neutroni, se va întâmpla unul din cele două lucruri: Poate scoate un proton sau poate fisiona. Nucleii mari vor fisiona aproape invariabil, totuși, astfel încât acesta este criteriul important. Cel mai simplu model viabil al unui nucleu atomic este ” modelul de picătură de lichid „. Deoarece sarcinile sale încearcă să-l împartă, totuși, gândirea la un nucleu ca un balon mic, foarte stresat, oferă o idee mai bună despre forțele în joc. Repulsia electrică variază ca $ (Z ^ 2 / r_ {eff}) $ unde $ r_ {eff} $ este distanța dintre încărcările punctuale echivalente. Ce atrage nucleul împreună este ceea ce echivalează cu tensiunea superficială – coeziune nucleară dezechilibrată – și ” energia de suprafață ” stocată variază ca $ (r ^ 2) $ , unde r este raza nucleară. Raportul dintre energiile Coulomb și suprafață este definit de $ (Z ^ 2 / r_ {eff}) * (1 / r ^ 2) = K $ . Setați $ r_ {e ff} = r $ . Volumul nuclear este proporțional cu numărul total de particule, $ A = Z + N $ , într-o colecție. Asta înseamnă că r variază ca $ A ^ {1/3} $ , deci $ (Z ^ 2 / r ^ 3) = K = (Z ^ 2) / A $ . K se numește un ” parametru de fissilitate. ” O valoare dată de K definește un set de nuclee care au bariere similare modelului lichid-picătură împotriva fisiunii spontane. Pentru valoarea specificată a K , $ N (Z) = (1 / K) * (Z ^ 2) – Z $ definește o curbă de înălțime constantă a barierei de fisiune pe planul $ (Z, N) $ . O curbă specială definește linia care împarte seturile de nucleoni pentru care există o barieră de fisiune și seturile de nucleoni care nu există. Cu alte cuvinte, definește numărul minim de neutroni pe care îl poate avea un nucleu de Z dat.

Cel puțin un model nuclear include nuclei cu până la $ 330 $ neutroni și $ 175 $ protoni ⁽¹⁾ . O ecuație pentru linia de drift neutronică în funcție de Z poate fi extrasă din linia de driplare a acestora. O a doua ecuație pentru $ N / Z $ ca $ f (Z) $ poate fi utilizată pentru a construi un curba alternativă a liniei de driplare. Linia de linie neutronică a lui KUTY nu arată nicio schimbare dramatică sub $ N = 330 $ . Totuși, atunci când extrapolăm în necunoscut, pare prudent să luăm în considerare limita superioară a neutronilor numărați într-un nucleu pentru a fi $ 1/4 $ ordinea de mărime ( 1,77 $ $ ) de ori mai mare.