未知领域的超重元素的“稳定岛”:164号元素

在2015年的最后一天,国际纯粹与应用化学联合会宣布了一款最细的元素——第118号元素鿫(Og),这是一种人工合成的稀有气体元素,它的原子序数和原子量都是目前人类所发现的最高元素。只是鿫元素极不稳定,它的半衰期只有0.9毫秒,就会衰变成其他原子量更小的元素。

实际上在自然界中,目前只存在92种元素,这92种元素可以认为是能够稳定存在的,后面的这些人造元素都无法稳定存在,所以后面的这些元素都属于放射性元素,会不断衰减变成其他更小的元素。

科学家目前还在通过粒子加速器不断地试图合成更重的元素。这样的工作不仅仅是为了合成新元素,而是科学家相信,在原子序列164号元素附近,会存在一个元素稳定岛(island of stability),处于这个位置附近的元素将能够稳定存在。

这类理论中的超重元素不但密度非常高,而且可能会拥有非常独特的物理和化学特性,一旦未来科学家真的合成或发现了这类稳定的超重元素,那么它们对于人类技术可能是革命性的变化。

在原子序列164号元素附近,会存在一个元素稳定岛(island of stability),处于这个位置附近的元素将能够稳定存在。
在原子序列164号元素附近,会存在一个元素稳定岛(island of stability),处于这个位置附近的元素将能够稳定存在。

为什么科学家会认为在164号元素周围的元素会稳定存在呢,这主要是因为它们的原子核结构。一个稳定的元素具有更高的中子-质子比。当中子-质子比不平衡时,原子核的半衰期也会缩短,从而导致产生的原子核中子太少或太多而无法稳定。

原子核的稳定性由其结合能决定,结合能越高,稳定性越高。每个核子的结合能随着原子序数的增加而增加。

如果一个原子核可以分裂成总能量较低的两部分(由于较大的结合能导致质量缺陷的结果),那么它是不稳定的。原子核可以在有限的时间内保持在一起,因为存在一个反对分裂的势垒,但这个势垒可以通过量子隧道效应来跨越。碎片的势垒和质量越低,单位时间内分裂的概率就越大。

原子核中的质子通过强力结合在一起,抵消了带正电的质子之间的库仑斥力。在较重的原子核中,需要更多数量的不带电中子来减少排斥力并赋予额外的稳定性。即便如此,当物理学家开始合成自然界中不存在的元素时,他们发现稳定性随着原子核变重而降低。

原子序数为164的超重元素,将具有质子和中子的“幻数”。假设原子核被量子化为能级。就像填充原子中的电子壳层一样,一旦质子和中子的数量填充了能量壳层,该元素将拥有更稳定的原子核,因此比附近具有未填充电子壳层的同位素具有更长的半衰期。

稳定岛本身的核半衰期是未知的,因为没有观察到“岛上”的核素。许多物理学家认为这些原子核的半衰期相对较短,约为几分钟或几天。一些理论计算表明,它们的半衰期可能很长,约为100年,或可能长达10^9年。

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