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YACOO: 化学世界的10大未解之谜:到底存在多少种元素?

2015-05-04 来源:亚科官网

        学校教室墙上贴着的元素周期表(the periodic table)一直都在不停地修订,这是因为人类发现的元素数量在不停增长。使用粒子加速器让原子核对撞,科学家可以制造出新的“超重元素”(superheavy elements)。相比从自然界发现的92种元素,超重元素的原子核拥有更高的质子(proton)数与中子(neutron)数。它们巨大的原子核非常不稳定——在极短的时间内(通常只有几千分之一秒到几分之一秒),它们就会衰变(这种衰变具有放射性)。但是,在它们存在的时间内,这些新的人工合成元素,例如钅喜(seaborgium,第106号元素)以及钅黑(hassium,第108号元素),和其他元素一样,都具有能够被准确定义的化学性质。通过精妙设计的实验,科学家们抓住少量的钅喜和钅黑在衰变之前短暂存在的一瞬间,测量了它们的部分化学性质。
       这些研究不仅仅是对性质的测量,它们还探索了元素周期表概念上的限制:超重元素能否延续元素周期表展现出来的规律与趋势(这些化学规律在元素周期表诞生之初便已经被归纳出来)?答案是,有些延续了规律,有些则没有。特别是,如此之大的原子核紧紧抓住了原子最里层的电子,因而这些电子能以接近光速运动。进而根据狭义相对论(special relativity)效应,这些电子的质量会增大,有可能破坏量子化的能量状态(即不连续的能级),而它们的化学性质——进而以此形成的元素周期表——都是依赖于能级理论建立的。
        由于物理学家认为,只要原子核拥有“魔数”数目的质子和中子,就会特别稳定,因此他们想在元素周期表中找出一个名为“稳定岛”(island of stability)的区域——在这个区域中,超重元素更稳定,寿命更长,目前的合成技术还无法合成出这样的元素。但是,超重元素的大小是否有极限?依据相对论的一项简单计算告诉我们,电子无法被拥有超过137个质子的原子核束缚。更加复杂的计算也证实了这个极限。然而,来自德国法兰克福-歌德大学的核物理学家沃尔特·格雷纳(Walter Greiner)却坚持认为:“元素周期表绝对不会在第137号元素前止步不前;事实上,它永无止境。”但是,要想通过实验来验证格雷纳的断言,从目前的研究水平来看,这还是一个很遥远的目标。
来源: 环球科学-科学美国人中文版(北京)