Если подсчитать количество разных случаев, где электрон является основой физической проблемы, то он может стать настоящим рекордсменом и отстанет, скорее всего, только от фотона. Вот и в случае таблицы Менделеева он играет фундаментальную роль, хотя так сразу и не подумаешь.
В относительно недавнем видео на канале я рассказывал, что таблица Менделеева не бесконечна. Мы с вами выяснили, что у неё есть некоторый предел и сегодня последним и всё ещё реально полученным элементом считается оганессон (118).
Вопрос стабильности тут для нас с вами весьма необычен. Элемент можно получить только в лаборатории и он существует доли секунды. При этом его реальные свойства не будут соответствовать общей тенденции, характерной для других элементов таблицы.
Можно ли считать такой элемент реальным и стабильным? С позиции науки - да. С точки зрения обычного обывателя - нет. Но для ученых тут важно обозначить, что субатомные частицы вообще удалось слепить в единое целое.
Если же мы говорим о некотором пределе таблицы, подразумевается ситуация, когда частицы не могут продержаться вместе даже те доли секунды. И первый уровень объяснения невозможности такое сделать начинается с несоответствия в силе притяжения и отталкивания.
Отталкивает сильнее, чем притягивает
Продолжение таблицы Менделеева подразумевало бы получение всё более тяжелых элементов. Ведь каждый шаг по клеточке вперёд означает, что мы добавили ещё один протон. Этот протон можно уравновесить нейтроном при благоприятном раскладе. Ну а вокруг такого импровизированного ядра должны расположиться электроны.
Эти субатомные частицы не просто набросаны друг рядом с другом. Они входят во взаимодействие. Между протонами и нейтронами, а ещё в парах протон-протон и нейтрон-нейтрон появляется сильное взаимодействие. Но при этом протоны ещё и отталкиваться будут согласно Кулону. Это проявится электростатическое взаимодействие.
В предыдущем материале мы детально разобрали роль нейтронов, которые не толкаются, но склеивают протоны друг с другом. К этому пирогу ещё присоединяются электроны и образуется некоторая равновесная система. Дальше мы также отметили, что сильное и электростатическое взаимодействия работают на разных расстояниях от центра атомного ядра, а потому там, где сильное взаимодействие уже всё, электростатическое только усиливается.
И, казалось бы, это и определит потолок для размера атома, а вместе с ним ещё и конец таблицы. Что же... В общем смысле так оно и есть. Тут мы имеем право ожидать граничным атомом что-то около убнбигексия (126). Но оказывается, у таблицы есть ещё и строго физический потолок. Это теоретическое фундаментальное значение, дальше которого не получится собрать никакой атом. А виновата в этом одна частица по имени электрон.
Релятивизм в атоме
Мы помним, что масса напрямую определяет притяжение частиц друг к другу. Больше масса - сильнее притяжение. Ядро заряжено положительно, а электроны вокруг отрицательные. С ростом размера и массы ядра растёт как гравитационное, так и кулоновское притяжение.
Для того, чтобы система оказалась уравновешенной и электрон остался рядом с ядром, нужно сохранить у электрона достаточную кинетическую энергию. Обычно это описывают через скорость ну и Бог с ним. Давайте тоже так напишем, хотя строго это неправильно. Корректнее рассматривать вопрос через энергию.
Но в обоих случаях правильно другое - при увеличении массы ядра у электрона проявляются эффекты теории относительности. Сжимается орбита и происходят всякие гадости. По этой причине, тот же оганессон уже обладает нетипичными свойствами.
Полем Дираком в 1928 году было составлено уравнение, которое описывает поведение электрона с учётом как его квантовых свойств, так и специальной теории относительности. Оно показывает, как энергия электрона зависит от его спина и движения вокруг ядра, предсказывает существование античастицы электрона - позитрона, и позволяет учитывать релятивистские эффекты в тяжёлых атомах, где электроны движутся с очень большой скоростью. Именно на основе этого уравнения и становится понятно, почему тот самый электрон обозначает предел в таблице Менделеева и почему сверхтяжёлые просто теоретически невозможны и дело даже не в их распаде.
Физический потолок из-за электрона и Дирака
Когда заряд ядра становится очень большим (это очень тяжёлые элементы, гипотетически больше 137), уравнение Дирака даёт странный результат - энергия электрона уходит в комплексную область, то есть решения становятся физически бессмысленными.
Проще говоря ядро настолько сильно притягивает электрон, что релятивистские эффекты ломают привычную структуру атома. Электрон буквально падает в ядро.
Тут фантазия рисует всякие интересные коллапсы или эпизоды из Half-life с Урищмами, но на деле это подразумевает лишь, что ядро и падающий электрон уже не образуют привычный атом с хоть немного ожидаемыми свойствами. Электрон не сливается с протоном из-за квантовой природы и принципа неопределённости, хотя это видится логичным Любая попытка залезть внутрь ядра ведёт к огромной энергии и разрушению атомной структуры, а не к слипанию частиц. Потому по сути это мини-коллапс атома как вида материи.
Идея Дирака даёт реальный физический потолок для таблицы. Тут проявляются уже не столько ядерные силы и нестабильности, сколько релятивизм.
Потому таблица Менделеева не может быть бесконечной, и предел её около 170–180 протонов теоретически совпадает с прогнозами квантовой механики и уравнения Дирака. Но это завышенные цифры, потому в реальности ожидается, что электрон не сможет нормально жить даже в ядре около ~137 протонов. Опять эта цифра 137...
Множество интересных явлений из физики частиц я разбираю в премиум-разделе проекта. Там иногда появляются и мои видео.
👍 Не забывайте подписываться и ставить лайки статье! Это важно для развития проекта.
Канал проекта в Telegram с эксклюзивными материалами