元素周期表是否存在最后一个元素?

作者: 正恩

来源: 原理

发布日期: 2016-10-14

文章讨论了元素周期表是否存在最后一个元素的问题,通过玻尔模型推导出原子序数大于137的元素不存在,并提到量子力学的改进可能将元素周期表的大小限制在Z < 173。

今年早些时候,IUPAC宣布了原子序数为113,115,117和118的四个元素获得了元素周期表的永久席位。而今天我们要问的是,元素周期表是否存在最后一个元素?如果有,它会是第几号元素?之所以提到这个问题,是因为前几天我们在《泡利问上帝:“为什么α等于1/137?》一文中提到了一个让无数物理学家着迷的数字:137。没错,也许你已经猜到了,这最后一个会不会就是原子序数为137的元素?

或许你早已经听到过原子序数Z > 137的元素不存在。这个结论其实可以通过玻尔模型得出。下面我们就用几个简单的公式来推导出这个结论。玻尔模型的简单示意图,电子只能在特定轨道(n = 1,2....)围绕着原子核旋转。在玻尔模型中,他假设了电子在特定的轨道围绕原子核做圆周运动。换句话说,电子的轨道半径被固定在距离 r 上。

在这个情况下,电子围绕着原子核运动会有一个向心力,等于:其中 m 和 v 分别代表电子的质量和速度。电子做圆周运动的向心力是由电子和原子核间的库仑力提供的:Z是核电荷,e是电子电荷,ε₀是真空电容率。向心力和库仑力相等会得到:从方程(3)中可以得到电子的速度平方:玻尔模型的一个中心假设是电子的角动量 L 是量子化的,即h是普朗克常数,n是一个整数。

解方程(5)可以得到 r:把方程(6)带入方程(4),我们会得到电子的速度现在,将方程(7)的分子分母都乘以光速c:发现了么?方程(8)包含了精细结构常数!最后我们会得到:从方程(10),我们发现,如果 Z > 137,在 n=1 的电子的速度就会超过光速。由于电子的静止质量不为零,根据爱因斯坦的相对论,它们的速度不能超过真空中的光速。因此,Z > 137的元素不存在。

费恩曼(Richard Feynman)是第一个提出原子序数为137的元素是最大可能元素。由于费恩曼对137这个数字的着迷,因此第137号元素有一个非官方的名字“Feynmanium”。当然,我们现在知道量子力学基于玻尔模型改进了原子模型,因此有理论研究把元素周期表的大小限制在 Z < 173【文献1】。方程(10)还有一个有趣的结果就是,电子的速度会随着Z的增加而增加。

因此在重元素中电子会接近光速,需要考虑相对论效应,这会导致大量化学反应。两个比较有名的例子是金的黄颜色和水银在室温下为流体。更多关于该效应的信息可参考【文献2】。

UUID: 6553246c-71fb-404f-8b8f-5cb0c450f175

原始文件名: /home/andie/dev/tudou/annot/AI语料库-20240917-V2/AI语料库/原理公众号-pdf2txt/2016年/2016-10-14_元素周期表是否存在最后一个元素?.txt

是否为广告: 否

处理费用: 0.0030 元