Наверное и без меня вы уже знаете, что такое таблица Менделеева. Потому начинать статью со стандартной подводки из серии, что это "самая лучшая в мире таблица" я не стану. Давайте лучше сразу перейдём к делу.
Посмотрите моё видео по теме статьи, там много дополнений и изложение воспринимается легче
В таблице Менделеева есть все известные сегодня элементы. Она упорядочивает их по атомному номеру и химическим свойствам, создавая некоторый удобный атлас. А как быть с неизвестными элементами? И сколько их вообще может быть?
По всей логике они должны появиться или до первого элемента в таблице (что неизбежно подводит нас к элементу номер 0 или эфиру) или после самого крайнего. И тут ребром встаёт вопрос этого самого последнего элемента в таблице, который должен во многом определить не только границы понимания нами устройства атома, но и обозначит точное количество "сформированных возможных веществ".
Глубоко в теории мы можем полагать, что они окажутся между существующими элементами, но мы не будем рассматривать серьезно эту версию, потому что она подразумевает переход к заведомо гипотетическим подходам, которые не нашли реального подтверждения.
В итоге единственный "научный" способ для нас увеличивать количество элементов - добавлять новые после самого крайнего в таблице. А какой из них станет тогда последним?
Что же, надеюсь вы помните про связь расположения элементов в таблице и состав атомного ядра каждого из них. По сути чем дальше от начала таблицы, тем больше нуклонов (протонов и нейтронов) будет содержаться в ядре. И тут начинается самое интересное - большие атомные ядра нестабильны. В какой-то момент протоны просто не смогут соединяться друг с другом. Это связано со спецификой внутриядерных сил и где-то тут нам и нужно искать границы таблицы Менделеева.
История расширения таблицы
Изначально таблица, созданная Дмитрием Ивановичем Менделеевым в 1869 году, включала лишь около 63 известных элементов. Менделеев предсказал существование новых элементов и оставил пустые места для них. С тех пор таблица только росла. Открывались новые элементы с увеличением атомного номера. Сегодня официально признано 118 элементов, с последним в списке — Оганесон (Og, Z=118), синтезированным в 2002–2006 годах. Впрочем, я не совсем согласен с тем, что подобные элементы стоит включать в таблицу, поскольку они демонстрируют скорее удачные комбинации, нежели полноценные атомы.
Атомы состоят из протонов, нейтронов и электронов. Они не просто так набросаны внутри атома, а упорядочены некоторым образом и соединены друг с другом. Особый интерес для нас сейчас заключается в оценке связи протонов и нейтронов. Вся история начинается от них и по сути реальность существования определяется стабильностью самого ядра.
Внутри ядра у нас есть две интересных силы - одна притягивает нуклоны друг к другу и связывает их сильным взаимодействием, а другая отталкивает их и обусловлена Кулоновским взаимодействием.
Сильное взаимодействие передаётся частицами-посредниками, которые подразумевают наличие у них массы (тут всё очень сложно и для полноценного понимания нужна отдельная статья, но сказать про массу не будет ошибкой). Потому они не могут передаваться соседям на большие расстояния и вся сила этого взаимодействия сконцентрирована в центре ядра атома. Частица-переносчик просто неспособна отлететь далеко от самого ядра. Потому и на иллюстрациях сильное взаимодействие часто обозначают, работающим от центра ядра атома. Это напоминает логику гравитации объекта сложной формы, где её рисуют от центра.
Напротив, электростатическое или кулоновское взаимодействие, которое отвечает за отталкивание нуклонов друг от друга, передаётся на большие и даже огромные расстояния. Частица-посредник, которая отвечает за существование этой силы, не имеет массы и является фотоном. Она может отлетать чрезвычайно далеко (по меркам атома и сильного взаимодействия).
Обе этих силы обладают классическим свойством суперпозиции и могут суммироваться. На выходе мы имеем интересную ситуацию.
Внутри ядра атома силы, которые отвечают за соединение нуклонов друг с другом, действуют на меньшие расстояния, чем силы, которые отвечают за их отталкивание.
Следовательно, с увеличением числа протонов в ядре возрастает электростатическое отталкивание между положительными зарядами, которое пытается разорвать ядро. С другой стороны, сильное ядерное взаимодействие удерживает ядро вместе, но оно действует лишь на очень коротких расстояниях.
Когда атомный номер становится очень большим (Z > 100), ядро становится крайне нестабильным. Такие элементы живут миллисекунды или доли секунды, прежде чем распасться на более лёгкие частицы. Например, Теннессин (Ts, Z=117) существует менее секунды в лаборатории.
По сути мы имеем картину, при которой граница существования атома и крайний атом в таблице Менделеева описывается точкой пересечения сферы действия отталкивания и притяжения.
Но если бы остановились на этом, то было бы не так интересно.
Остров стабильности и гипотезы
Физики предполагают, что где-то в области атомных номеров 120–126 может существовать так называемый остров стабильности — группа гипотетических элементов, у которых особые сочетания протонов и нейтронов обеспечивают сравнительно долгую жизнь. Теоретически такие ядра могут жить секунды, минуты и даже часы — что для сверхтяжёлых элементов уже «вечность».
Такой подход обусловлен оболочечной моделью ядра атома. Она подразумевает, что не только электроны имеют свои орбитали, а и само ядро работает также. Протоны и нейтроны расположены внутри ядра на некоторых энергетических уровнях. Пока эти уровни не заполнены протонами, атом демонстрирует ожидаемые свойства.
Но если вдруг окажется, что эти оболочки полностью заполняются, то сильное взаимодействие получает некоторый бонус и способно интенсивнее работать. Так более тяжелые атомы из большего количества протонов могут оказаться более стабильны, чем менее тяжелые.
Оболочечная модель ядра получила прямое экспериментальное подтверждение, особенно через стабильность ядер (магические числа), спектры возбуждения, спины и магнитные моменты. Однако это подтверждение не абсолютное — модель работает как приближение, а полная картина ядра сложнее, с коллективными эффектами и корреляциями между нуклонами. Было бы неплохо проверить это посредством островов стабильности.
Однако синтез таких элементов крайне сложен: требуется ускорять тяжёлые ионы и сталкивать их с другими ядрами с невероятной точностью. Каждый эксперимент — это попытка создать вещество, которое сможет существовать чуть-дольше мгновенной вспышки.
Теоретический предел таблицы
Так как же нам тогда ответить на поставленный вопрос? Хм, ну как всегда всё не так однозначно. На данный момент существует несколько подходов к оценке конца таблицы:
- Энергетические ограничения ядра
Когда число протонов превышает ~126, электростатическое отталкивание станет сильнее, чем сила, удерживающая ядро. Ядро распадётся мгновенно. Не получится создать даже те элементы, что сопоставимы по времени жизни со вспышкой света. Логику мы детально разобрали выше.
- Релятивистские эффекты
Сверхтяжёлые элементы проявляют эффекты квантовой механики: орбитали электронов становятся сильно релятивистскими, химические свойства необычны и непредсказуемы. В физике «релятивистский» значит, что скорость частицы становится достаточно большой, чтобы эффекты теории относительности Эйнштейна уже нельзя было игнорировать. И пусть мы уже много раз говорили, что нет никакого вращения электронов вокруг ядра, но есть постоянное движение всех частиц. Иными словами, рано или поздно просто должна перестать существовать та модель атома, которую мы считаем научной. И не только из-за того, что ядро развалится.
- Математические модели
Релятивистские эффекты в атоме проявляются из-за того, что внутренние электроны движутся с большими скоростями под сильным притяжением ядра, и их масса и поведение изменяются по законам специальной теории относительности. Это приводит к сжатию s-орбиталей, расширению внешних p, d, f-орбиталей, спин-орбитальному расщеплению уровней и изменению химических свойств, что хорошо наблюдается для тяжёлых элементов вроде золота и ртути, а точные расчёты на основе уравнения Дирака показывают, что при Z ≈ 172 внутренние электроны практически «слипаются» с ядром, делая невозможным существование привычных электронных оболочек, и таким образом накладывают теоретический предел на существование стабильных атомов.
Получается, что конец таблицы Менделеева, скорее всего, находится между Z=170 и Z=180, хотя синтезировать элементы в этой области пока невозможно и проверить всё это тоже.
⚠️ Здесь https://dzen.ru/suite/06178c8a-80d2-4d79-8dea-0449ec461a0c подборка на моём канале про физику атома и атомного ядра. Очень советую почитать!
⚡ Ещё больше интересного в моём Telegram!
Хочется помочь проекту? Просто поставьте лайк 👍 и подписывайтесь на канал ✔️! Напишите комментарий и поделитесь статьёй с друзьями