粒子物理学

定期表中的故障

当我们知道它时,元件117的发现使得可以填充Mendeleev表中的最后一个孔。但是这个表格具有显着的属性可能具有缺陷。


eric scerri. 对于Science N°432
本文保留用于科学用户

2010年,俄罗斯物理学家宣布它们已经合成了化学元素117的第一原子核,其包含117个质子。这个新元素尚未姓名,因为科学界总是期望在给予它之前独立的确认。但是,除了惊喜之外,原子序数元素117现在在元件的周期表中具有其位置。 


在此之前,已经发现了所有元素,直到116个,所以已经发现了更多的元素118。有些人期待这个着名的独立确认。这是元素115的情况,已于2004年合成,但其观察刚刚在2013年8月由国际团队确认。


因此,缺少呼叫的唯一元素是117.它的发现使得可以填充最后一个框,该框在表格的下线中保持空。这一成功标志着化学史上的独特时刻。自从Antoine Laurent de Lavoisier的工作结束以来 XVIII.e 世纪,许多化学家试图根据某些规则识别元素并组织它们。在19世纪60年代,俄罗斯化学家DMITry Mendeleev和其他人开发了元素的周期性表,非常接近我们今天使用的元素。 Mendeleiev在他的绘画中留下了几个空盒子,他让一天大胆的赌注,将发现新的元素将填补这些差距。从那时起,俄罗斯化学家的预测已经得到证实。 


周期性表具有经验丰富的调整,添加,但是必不可少的原则已被保留:其结构基于元素之间的重复性质。此外,这幅画始终有孔,但是用元素117,它第一次完成。


Mendeleev的幽灵必须品尝他的胜利。然而,化学家和核物理学家试图合成超过118的原子数元素。这种发现需要添加带有新空盒的线条。


表格的这种扩展应该继续遵循建筑逻辑。然而,一些更基本的异常开始黎明。重复性质的原则似乎更具无法污染。


当Mendeleev设计他的绘画时,他不仅预计尚未观察到的物品;更值得注意地,他根据这些重复模式正确猜测了它们的化学性质。 


原则上,相同柱的两个元素具有相似的性质。但作为原子序数 - 核心的质子数量增加,一些增加的元素不再以定期原则所需的方式表现。这些元件的化学相互作用,例如与其他原子形成的链路类型,不像表的相同柱的其他元素一样。 


为什么 ?在最重的核周围,一些电子在轨道上以表示光速的显着分数的速度。它们是“相对论”,即感受到相对论理论的影响。这些原子的行为与根据周期表中的位置的预期不同。另外,准确预测原子电子的相对论效应的计算是复杂的并且每个元素的研究需要实验。因此,尽管Mendeleev的绘画的成功终于填补了,但它的预测权力似乎已达到极限。


有超过1,000个版本的周期表,其中包含元素的排列中的变体,但所有这些都是一个基本特征。当元素顺序可用时,按原子序数的顺序,它们的化学性质倾向于定期重复。例如,如果我们离开锂电池,我们前进八箱我们到达钠。这些元素有许多常见功能。两者都是刀具的柔软金属,两者都与水反应。如果我们仍然推进八个盒子,我们就达到钾,这也是一种柔软的金属,并与水反应。


在第一个定期表中,包括由mendeleev设计的那些,每个时段的长度 - 因此每行(或线)的长度 - 总是八个。该涂料被安排在同一柱中具有例如锂,钠和钾。然而,很快,发现第四个和第五个时期在八个元素之后不再重复,但是之后。结果,表的第四和第五行比以前的一个要接收额外的元素块(过渡金属,在通常版本中的定期表中间)。由于包含一个新的14个要素,第六期甚至更长,含有32个要素。这些形式与Lutecium的镧系元素(属于稀土)。


截至1937年,核物理学家开始合成新的元素,从技术开始。他填充了周期表的四种缺点之一,其为1(氢)至92(铀)。另外三个缺失的碎片不久之后;其中两个是合成的(ASTATES和PREMETIM),第三个是在自然(福利)中发现的。但即使这些缺点填补了,新发现增加了铀超出的元素,在周期表中留下了新的空盒子。


美国化学家Glenn Seaborg注意到猕猴桃,钍,Prot actinium,铀和十个元素是新系列的一部分,其中包括14个元素。随着劳动力,它们称为贴散性。


在上半年 XX.e 世纪,物理学家和化学家了解,元素的周期性在量子物理学中发现了它的起源,特别是在核心轨道上的电子中的物理学中。这些轨道或“轨道”,不要类似于那些在太阳周围描述椭圆的行星。它们对应于围绕核心周围的空间区域,其中可以在测量期间定位电子。它们以不同的形状和尺寸 (见对方的盒子). 


高原子序数的原子具有与较低数量相同的轨道,而是添加新类型的轨道。第一个时期的元素只有一个轨道的类型 s,可以由一个或两个电子(一个用于氢,两个用于氦气)占据。对于第二个和第三个时期的元素添加另一个轨道类型 s 和三种新种的轨道,注意到 p。这四个轨道中的每一个可以被一个或两个电子占据,总潜力为八个电子 - 因此在定期分类的原始版本中的八个周期性。除了类型之外,第四个和第五个时期都有 s et p,第三种类型的轨道,注意到 d,它为电子增加了十个额外的地方,因此将期间延伸到18.最后,最后两个周期具有轨道类型类型 s, p, dF, 并且具有32个元素的长度(18 + 14)。


当Yuri Oganesian和他的合作者在莫斯科附近的Doubna统一核物理学研究所,宣布他们已经合成了“难以捉摸的”元素117,表中最后一行的所有元素现在都处于广场。周期性表的结构与原子之间的关系表明,该表不仅仅是关于纸张信息的美学或组织的情况。元素118,表中的最后一个,因此具有其所有轨道 spd et f 被电子填充。


如果合成新元素,则必须将一行更多添加到周期表中。元素119,可能是在列表中的下一个出现,应该发起一个新的周期 - 再次最简单的轨道类型,轨道 s。元件119和120应该占据第八周期的前两个盒子。但是对于元素121,将需要完全新的块。它会在以前遇到的轨道弹奏:轨道 g。这种新型的轨道为电子增加了电磁的可能性,因此延长了增加了表中列数的时段。此元素块应带到表中的列数。


但是在必须在董事会增加一个新的时期之前,化学家们遇到了另一种类型的难度。完整的周期表 - 也就是说,通过其所有已知的行符合满足 - 似乎标记了Mendeleev项目的成功并确认了周期性的原则。但由于艾伯特爱因斯坦因艾伯特爱因斯坦而受限制的相对论的理论来到了黑色......这幅画。


相对电子


由于质子,原子芯的电负荷随着原子数而增加。这种电荷越大,内部轨道电子越高。对于重核,受限制的相对论的理论起到了明显的作用。内部轨道的大小降低,它们的稳定性增加 - 这些轨道减少的能量减少,对其他轨道有影响 s et p。后者也更接近核心,包括“瓦伦西亚”轨道,最外层,其控制原子的化学性质。


所有这些现象都是在直接相对论效应的名称中已知的,这通常随着核心的电荷而增加。一些竞争效果使情况复杂化。虽然直接相对论效果稳定了一些轨道,另一种效果,间接相关性效应,稳定轨道 d et f。该现象是由于电子引起的一种静电屏幕效应 s et p。这些电子的负电荷部分掩盖了核心的正电荷,其作用在遥远的电子上施加 d et f。然后,这些与内核相连,更不稳定。


在化学品中的一些相对论效应在日常生活中表现出来。例如,他们解释了黄金的颜色,与轨道块围绕它的无色元素不同 d 周期表 - 特别是金钱,桌子中的黄金。


当块金属的原子 d 由波长足够的光子击中,它经历了电子转换。轨道的电子 d 吸收光子并通过与轨道相对应的更高的能量状态 s 优越的。在金钱的情况下,两个轨道之间的能隙足够大,因此它从电磁谱的紫外区域中取光子以触发过渡。可见光光子,其能量较低,反射;这就是为什么这种材料似乎是镜子。


在黄金的情况下,相对论收缩降低了轨道的能量 s,同时增加了轨道的能量 d,从而降低这两个水平之间的间隙。过渡需要较少的能量 - 它对应于光谱的蓝色部分的光子的光子。虽然蓝色被吸收,但其他颜色的光子被反射 - 因此金黄色的金色特征。


赫尔辛基大学的PekkaPyykkö和其他人列出了许多与相对论效应相关的金行为,特别是黄金与其他元素之间的意外联系。他们认为必须由这种相互作用产生的化合物是稍后发现的。此优秀提醒Mendeleev的漏洞利用,已计划新的元素。 P.P.Pyykkö的成功预测是黄金与氙气之间的债券 - “稀有气体”,这是极其惰性的 - 黄金和碳之间的三倍。另一种成功是涉及钨​​原子和12个金色原子的球形分子,以及与其足球气球结构的碳粉丝。当钨和金在氦气存在下蒸发时,这种黄金的这种富勒烯是自发的。


相对论量子力学的计算还揭示了研究金沉积物如何充当催化剂的必需品,尽管金相对惰性。例如,该元素可以分解在汽车排气中包含的有毒物质。


超级旅唤


即使存在相对论效应的外观,也像金子一样的元素偏离了预期的特征。大多数元素利用周期性原则损失几乎没有,他们的物业在周期表中同意其位置。但有惊喜。关于最近发现的元素化学的一些经验开始表明周期表中可能存在严重的故障。


通过使用粒子加速器来碰撞重核,核物理学家能够生产“超级卢尔”元素 - 超出原子编号103的那些。20世纪90年代在卢瑟福(104)和杜绝尼市(105)上的第一次经历已经表明了这些元素没有基于它们在周期表中的位置的预期属性。 Ken Czerwinski和他的同事们在加州大学的伯克利发现,在解决方案中,卢瑟沃尔州以与钚的方式相似,这在周期性表中非常遥远。同样,杜培患者呈现出与Prot actinium的行为的迹象再次在周期表中再次相当远。在没有相对论的影响的情况下,这两个元素应该表现得像那些直接在它们上方的人,即铪和钽。仍有待确认这些困难措施。


在最新工作中,研究人员合成了新的超级资料元素,但仅限于数量(元素117的发现仅基于六个原子的观察)。此外,超级卢尔德元素非常不稳定;它们在一秒钟的一小部分中崩溃成较轻的元素。科学家减少以观察这种核分解的碎片,这提供了有关短期核的物理和化学物理学和化学信息。因此,由于经典的“湿”化学 - 将物质放入瓶子中,观察其与其他化合物的反应是不可能的。然而,科学家们发现了巧妙的技术来研究这些元素的化学,原子由原子。 


像水星或氡?


与在元素104和105上进行的那些相比,对以下两个元素,海洋(106)和波西米(107)进行的化学实验令人失望。实际上,海洋和波西米似乎是对预期的反应Mendeleev的规则,忽略相对论的效果。定期原则似乎恢复了订单!


在元素112的情况下,化学家和物理学家想知道该元素是否表现得相当像汞一样,在周期表中刚刚在其上方,或类似于某些相对论计算的雷达,稀有气体。在一些实验中,研究人员合成了元素112的原子,伴随着汞和氡的沉重同位素。后者存在于自然状态,但物理学家使用合成元素,因为它们可以在与引起元素112产生元素112的条件下产生它们。


然后实验者在非常低温下保持的表面上沉积这些原子,并覆盖部分金,部分冰。如果元件112真的表现得像金属,则它将与金有结合。如果它与氡更媲美,则会倾向于沉淀在冰上。迄今为止,若干实验室已获得不同的结果,局势仍然远未澄清。


还研究了对元素114的相对论效应。罗伯特艾克勒及其在瑞士保罗·舒勒研究所的团队报告的第一个结果让科学家们反对这个理论。 


关于超级卢尔德元素化学研究的延续应阐明实验结果与理论计算之间的差异。同时,将添加新元素将添加到周期表中。那么更一般的问题是此表是否将结束。一般共识是,当质子的数量变得太大时,核心也不会形成,即使是片刻。但意见对最大原子序数不同。根据一些考虑核心作为准时的计算,限制将在元素137中。其他人考虑到核心的体积,认为最终元素将是原子编号172或173。


目前尚不清楚表格周期的原则是否适用于超级栏目。如果原子属性的偏差变得重要和系统,则该表将失去其预测力。但这不会消除许多元素的有用性。一般来说,化学家没有面对桌子的最重和不稳定的元素。因此,设计后150年,尽管由于相对论的效果而矫正,但Mendeleev的周期性表远远无过时,总是有很多服务。

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