第8周期元素

第8周期元素

第8周期分为五个区块,其中第一个便是g-区块。然而自旋-轨道耦合效应大大降低了高原子序元素的轨道近似的准确性。[5]

元素周期表区块

s区块

p区块

d区块

f区块

g区块

(未发现的元素以较浅颜色显示)

构造原理模型

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该模型在电子排布永远根据构造原理的前提下成立,但这并不完全正确。[note 3]相对论性效应可能导致当中某些元素在以下的元素周期表中位置有所变动。[5][6][8][9]

8

119Uue

120Ubn

121Ubu

122Ubb

123Ubt

124Ubq

125Ubp

126Ubh

127Ubs

128Ubo

129Ube

130Utn

131Utu

132Utb

133Utt

134Utq

135Utp

136Uth

137Uts

138Uto

139Ute

140Uqn

141Uqu

142Uqb

143Uqt

144Uqq

145Uqp

146Uqh

147Uqs

148Uqo

149Uqe

150Upn

151Upu

152Upb

153Upt

154Upq

155Upp

156Uph

157Ups

158Upo

159Upe

160Uhn

161Uhu

162Uhb

163Uht

164Uhq

s-区块

g-区块

p-区块

f-区块

d-区块

s-区块元素

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主条目:Uue和Ubn

第8周期s-区块元素的原子序为119和120。合成Uue和Ubn元素所需条件为,灵敏度要达到飞靶恩量级,在目前连最先进的设施都不能及。

合成尝试

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Uue的合成曾由位于加州伯克利的superHILAC加速器在1985年尝试过,以钙-48离子撞击鑀-254目标。结果没有发现原子,有限产量为300 nb。[10]

99

254

E

s

+

20

48

C

a

119

302

U

u

e

n

o

a

t

o

m

s

{\displaystyle \,_{99}^{254}\mathrm {Es} +\,_{20}^{48}\mathrm {Ca} \to \,_{119}^{302}\mathrm {Uue} ^{*}\to \mathrm {no\ atoms} }

这项反应并不会有作用,因为鑀-254极为罕见,制造足够的份量十分困难,太小的撞击目标使实验无法达到所需的敏感度。

在2007年3月至4月,Ubn的合成在杜布纳的Flerov核反应实验室进行尝试,以铁-58离子撞击钚-244目标。[11]初步分析并没有发现任何元素120的原子,限制产量为400 fb。[12]

94

244

P

u

+

26

58

F

e

120

302

U

b

n

f

i

s

s

i

o

n

o

n

l

y

{\displaystyle \,_{94}^{244}\mathrm {Pu} +\,_{26}^{58}\mathrm {Fe} \to \,_{120}^{302}\mathrm {Ubn} ^{*}\to \mathrm {fission\ only} }

该俄罗斯团队正计划在重新尝试反应前升级其设施。

在2007年4月,位于重离子研究所的团队尝试利用铀-238和镍-64创造Ubn:

92

238

U

+

28

64

N

i

120

302

U

b

n

f

i

s

s

i

o

n

o

n

l

y

{\displaystyle \,_{92}^{238}\mathrm {U} +\,_{28}^{64}\mathrm {Ni} \to \,_{120}^{302}\mathrm {Ubn} ^{*}\to \mathrm {fission\ only} }

在1.6 pb的限制下没有探测到原子。重离子研究所用更高的敏感度重复了实验,在2007年4月至5月、2008年1月至3月及2008年9月至10月分别进行了三次尝试。所有尝试均没有产生原子,截面限制为90 fb。

g-区块元素

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主条目:超锕系元素和g-区块

第8周期是第一个包括g-区块的周期,该区块由元素121开始,但5g壳层的填充在何处终结则不清。这些元素属于超锕系元素,拥有部分填充的5g和6f壳层,因此好像锕系元素一样有不同的化学特性。然而,5g和6f壳层的接近,加上这两壳层与7d和8p壳层间的小间隔,可以产生一系列元素,拥有和它们在周期表中的位置不相关的属性。[1]

这些元素只能在假想的稳定岛附近才能被探测到。它们的稳定性取决于稳定岛的位置。如果稳定岛位于低原子序元素,大部分超锕系元素就会太不稳定,不能被探测到;但如果稳定岛位于高原子序元素,则较前的超锕系元素就有被探测到的可能。

合成尝试及宣称的发现

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周期表中这个区域中有尝试合成过的元素只有元素122、124和126。

合成Ubb的首次尝试于1972年在联合核研究所进行,所用热核聚变反应为:

92

238

U

+

30

66

Z

n

122

304

U

b

b

n

o

a

t

o

m

s

.

{\displaystyle \,_{92}^{238}\mathrm {U} +\,_{30}^{66}\mathrm {Zn} \to \,_{122}^{304}\mathrm {Ubb} ^{*}\to \mathrm {no\ atoms} .}

没有探测到任何原子。目前的结果(见𫓧)显示,该实验的敏感度低了至少6个量级。

在2000年,重离子研究所用更高的敏感度进行了相似的实验:

92

238

U

+

30

70

Z

n

122

308

U

b

b

n

o

a

t

o

m

s

.

{\displaystyle \,_{92}^{238}\mathrm {U} +\,_{30}^{70}\mathrm {Zn} \to \,_{122}^{308}\mathrm {Ubb} ^{*}\to \mathrm {no\ atoms} .}

这些结果表明重元素的合成仍然是一件非常大的困难,并需要更高的离子束强度和实验效率。敏感度要提高到1 fb。

Flerov核反应实验室在2000年至2004年期间曾进行过多次实验,研究复核306Ubb的裂变属性。实验使用了两项核反应:248Cm+58Fe及242Pu+64Ni。结果揭示了这种原子核进行裂变是主要通过排出闭合壳层核子,如132Sn (Z=50, N=82)。

于2008年4月24日,以Amnon Marinov为首的位于耶路撒冷希伯来大学的团队声称在天然钍沉积物中发现了单个Ubb原子,存量相对于钍为10−11到10−12之间。[13]Marinov等人的发现被一部分科学界批评,Marinov则称他已把论文提交到《自然》和《自然物理学》,但都在提交到同行评审前被退回了。[4]

他们此前利用相同的方法金性质谱分析后识别较轻的钍同位素,[14][15]而对此方法的批判在2008年发表在《物理评论C》中。[16]之后Marinov的团队再于《物理评论C》中发表了一份驳辞。[17]

利用更优越的加速器质谱法再次进行对钍沉积物的分析实验后,并未能证实先前的结论,尽管敏感度提高了100倍。[18]该结果使Marinov有关半衰期特别长的钍、[14][15]𬬭[19]及Ubb同位素的研究成果的可信度大大降低。[13]

在一系列的实验中,国家大型重离子加速器尝试量度Fl(114)、Ubn(120)及Ubq(124)复核的直接和延迟核裂变,以研究这个区域的壳层效应,并寻找下一个球体质子壳层。在2006年,团队提供了以下反应的结果,并发布于2008年:

92

238

U

+

32

n

a

t

G

e

308

,

310

,

311

,

312

,

314

U

b

q

f

i

s

s

i

o

n

.

{\displaystyle \,_{92}^{238}\mathrm {U} +\,_{32}^{nat}\mathrm {Ge} \to \,^{308,310,311,312,314}\mathrm {Ubq} ^{*}\to \mathrm {fission} .}

该团队表示探测到Ubq复核的裂变,半衰期大于10−18 s。虽然非常的短,但能够量度到这样的衰变表示在Z=124处有强的壳层效应。类似的现象也出现在Z=120,但没出现在Z=114。[20]

Bimbot等人于1971年首次尝试了合成Ubh,利用以下的热核聚变反应:

90

232

T

h

+

36

84

K

r

126

316

U

b

h

n

o

a

t

o

m

s

{\displaystyle \,_{90}^{232}\mathrm {Th} +\,_{36}^{84}\mathrm {Kr} \to \,_{126}^{316}\mathrm {Ubh} ^{*}\to \mathrm {no\ atoms} }

反应中探测到高能α粒子,并能作为成功合成Ubh的可能证据。近期的研究指出这不大可能,因为根据目前的理解,1971年所进行的实验敏感度比所需的低了几个能级。至今没有其他实验尝试合成Ubh。

该区域中的所有其它元素及更高的元素都没有经过尝试合成的实验。

Feynmanium

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主条目:Feynmanium

元素137(Uts)有时被称为feynmanium(符号为Fy),因为理查德·费曼曾提出,[21]对相对论性狄拉克方程的简单理解在Z > 1/α = 137时会发生问题,表示Uts以后的元素不能以中性原子的形式存在,并且以电子排布排列的元素周期表会在此崩溃。然而,更严密的分析表明这个极限位于Z ≈ 173。[note 4]

玻尔模型在原子序超过137时会发生困难,因为1s电子轨道中电子的速度v为:

v

=

Z

α

c

Z

c

137.036

{\displaystyle v=Z\alpha c\approx {\frac {Zc}{137.036}}}

当中Z为原子序,α为精细结构常数(对电磁交互作用强度的测量)。[22]根据这个近似值,所有原子序大于137的元素中1s电子的速度都会超越c,即光速。因此非相对论性的玻尔模型在此应用在超重元素时明显不正确。

相对论性狄拉克方程也在Z > 137时发生问题,因为基态能为

E

=

m

c

2

1

Z

2

α

2

{\displaystyle E=mc^{2}{\sqrt {1-Z^{2}\alpha ^{2}}}}

当中m为电子的静止质量。当Z > 137,狄拉克基态的波函数是波动的而非束缚的,且正负能量谱之间没有空隔,如克莱因悖论所言。[23]

考虑到核子有限大小的效应并且更准确的计算指出,结合能在Z > Zcr ≈ 173处首先超过2mc2。当Z > Zcr,如果最内部的轨道没有电子,则原子核的电场会从真空当中产生出一颗电子,导致自发放射出一颗正子。[24]

f-区块元素

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主条目:超锕系元素

这些元素的电子云的相对论性及量子力学效应预计甚至要比g-区块元素的更强,因为这些元素有更高的原子序。如果它们能够被观察到,则它们有可能拥有相似的化学特性,但5g和6f壳层(可能还有7d和8p壳层)之间距离相近的影响难以估计,这是由于较强的相对论性及量子力学效应。这些轨道之间能量的相近,可能导致电子同时填充这些轨道,产生一些列相似的元素,氧化态难以互相区分。根据电子排布的元素周期性就可能不再成立了。[1]

这些原子的存在在理论上是可能的,因为有著光速的限制,原子序的上限为Z = 173。[25]之后再指定电子壳层便失去意义,元素也只能以离子形式存在。然而科技可能永远也不足以合成它们。[2]

d-区块及p-区块元素

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虽然根据之前的周期性,元素153会成为最后一个超锕系元素,但是由于电子云中极强的相对论性及量子力学效应,d-区块和p-区块的电子排布只会是数学推断的。如果最终它们的化学特性能被研究,那么很可能无法以任何现有的分类去描述它们。由于5g、6f、7d和8p轨道的接近及其他的相对论性效应,在这区域的元素周期性将会瓦解,因此这些元素的特性和在周期表中的排位在一般情况下的重要性不大。[1]

Pyykkö模型

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此章节需要扩充。 (2012年3月1日)

Pekka Pyykkö预测轨道壳层的填充次序如下:

8s(119-120)

5g(121-138)

8p的首两个位置(139-140)

6f(141-154)

7d(155-164)

9s(165-166)

9p的首两个位置(167-168)

8p的其馀位置(169~172)。[6]

他也指出第8周期可分为三部分:

8a,包括8s

8b,包括8p的首两个元素

8c,包括7d和8p的其馀位置。[6]

元素周期表区块

s-区块

p-区块

d-区块

f-区块

g-区块

(未发现的元素以较浅颜色显示)

Pyykkö模型。位置变动过的元素以粗体显示。

8

119Uue

120Ubn

121Ubu

122Ubb

123Ubt

124Ubq

125Ubp

126Ubh

127Ubs

128Ubo

129Ube

130Utn

131Utu

132Utb

133Utt

134Utq

135Utp

136Uth

137Uts

138Uto

141Uqu

142Uqb

143Uqt

144Uqq

145Uqp

146Uqh

147Uqs

148Uqo

149Uqe

150Upn

151Upu

152Upb

153Upt

154Upq

155Upp

156Uph

157Ups

158Upo

159Upe

160Uhn

161Uhu

162Uhb

163Uht

164Uhq

139Ute

140Uqn

169Uhe

170Usn

171Usu

172Usb

9

165Uhp

166Uhh

167Uhs

168Uho

s-区块

g-区块

f-区块

d-区块

p-区块

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