宇宙中最重的元素會是多少號元素?元素周期表有盡頭嗎?

2020-12-05 魅力科學君

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我們所看到的世間萬物,其實都是由各式各樣的元素構成,在過去的日子裡,科學家將各種元素按原子核內的質子數量(核電荷數)由小到大的順序給它們編了號,原子序數越靠後的元素就越重,例如氫原子核內只有一個質子,那麼它就是1號元素,而氦原子核內有兩個質子,它就是2號元素,其它的以此類推。

由此可見,我們只需要不斷地增加原子核內的質子數量,就可以得到越來越重的元素,科學家正是根據這個原理人工合成了地球上並不存在的元素,迄今為止,科學家們已經在元素周期表上填上了118種元素,其中前92種是在地球上自然存在的,而另外的則是通過人工合成的。

那麼問題就來了,元素周期表有盡頭嗎?宇宙中最重的元素會是多少號元素呢?

在原子核的內部一直存在著兩種力的較量,一方是質子與質子之間的電磁力,由於質子都帶正電荷,因此這種力表現為斥力,而另一方是強相互作用力,它負責將原子核內的核子(質子和中子)緊緊地捆在一起。

雖然強相互作用力是四大基本力中最強的力,但它有一個弱點,那就是它是短程力,其作用距離僅為10^-15米,而電磁力卻是長程力,因此原子核內的質子越多就越不穩定,當達到某個臨界值時,強相互作用力就不能有效地束縛核子,於是這個原子核就可能會發生「衰變」。

科學家用「半衰期」來描述元素衰變的時間長短,據此我們可以得出一個規律,即元素越重(原子序數越大)其「半衰期」就越短,當某種元素的「半衰期」小於我們可測量的最小時間間隔時,我們就可以認為這種元素不存在,因此可以說元素周期表是有盡頭的。

然而各種元素的「半衰期」並不一定遵從這個規律,物理學家瑪麗亞.格佩特.梅耶(Maria Goeppert Mayer)從實驗中觀察到,當一個原子核的質子(或中子)的數量等於某些特定的數字時,這個原子核的「半衰期」就變得很長,她將這些數字命名為「幻數」。

瑪麗亞.格佩特.梅耶

目前被普遍認可的「幻數」包括2、8、20、28、50、82、126這7個數字,地球上穩定存在的氦、氧、鈣、鎳、錫、鉛等元素的質子(或中子)的數量分別與前6個「幻數」相對應,根據這種現象,化學家格倫.西奧多.西博格(Glenn Theodore Seaborg)提出了「穩定島理論」,並指出宇宙中最重的元素應該是質子(或中子)數為126的元素。

格倫.西奧多.西博格

值得一提的是,研究「穩定島理論」的科學家後來又提出,可能存在的更大「幻數」,即138、154和164,但這沒有得到科學界的普遍認同。

然而「穩定島理論」似乎只考慮了原子核,而沒考慮到電子,通常來講,原子核的質子數量越多,其攜帶的正電荷也就越大,原子核與電子之間的電磁力就會越強,在這種情況下,電子就會以更快的速度運動,距離原子核越近的電子,其速度就越快。

根據「玻爾模型」,1s軌道電子的速度的公式為: v = Zαc,其中Z為原子序數,α為「精細結構常數」(其值約為137分之1),c為光速,據此我們可以計算出,當某個原子序數達137時,其1s軌道電子的速度就達到了光速,而我們都知道,任何具有質量的粒子都不可能達到或超過光速,電子當然也不例外,因此可以說,宇宙最重的元素的原子序數必須小於137。

還有科學家指出,當電子的運動速度很高時,應該將相對論效應考慮進去,而「玻爾模型」中的公式並沒有考慮到這一點,因此我們應該用結合了量子力學和狹義相對論的「狄拉克方程」來描述這種情況。

根據「狄拉克方程」的描述,當一個原子的原子序數大於172時,就會非常奇怪的現象,具體表現在如果該原子的1s亞層沒有電子的話,其原子核的電場就會在真空中「抓」出一對正負電子,然後將其中的正電子「拋棄」,把電子留在這裡,換句話來說就是,這種的原子永遠都不會被完全電離。很明顯,這種元素應該是不可能存在的,因此從這方面來講,宇宙中最重的元素應該是就是172號元素。

簡單總結一下,從各方面來看,元素周期表都應該是有盡頭的,但對於「宇宙中最重的元素會是多少號元素」這個問題,目前我們還停留在理論上的猜測中,具體是怎麼樣的,還有待科學家們的進一步探索。

好了,今天我們就先講到這裡,歡迎大家關注我們,我們下次再見`

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