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元素周期表有多少个元素,最后一个元素是137号吗?

我们知道目前元素周期表的最后元素已经排到了118号,那么在118号元素后面是否还存在其他元素呢?其实是有的,根据理论,元素的上限是137个。元素数量的这种限制是因为宇宙中有一个最大速度。也就是真空中光速的极限。此外,仅用玻尔的原子模型和德布罗意的波粒子二元论就可以证明这一点。

元素周期表有多少个元素,最后一个元素是137号吗?

值得注意的是,量子力学从来不会与经典物理学发生冲突。量子力学研究的是比经典物理更复杂的现象,而这些现象在宏观上通常没有形象的类比。例如,根据经典定律,围绕原子核运动的电子必须落在原子核上。既然原子存在,就得出了一个错误的结论:原子的经典物理定律被违反了。但事实并非如此。古典法则是不可动摇的,电子不会落在原子核上,因为电子不是微粒。正是由于波粒二元论的存在,电子才不会落在原子核上。如果电子是一个微粒,也就是说,有一定半径的粒子,它将不可避免地落在原子核上。经典定律在原子中起作用,但电子不再是普通的经典粒子,因此它的行为是不同的。这是理解量子力学和进一步介绍的一个非常重要的点。

因此,当我们考虑玻尔的原子模型时,我们假设电子像粒子一样在围绕原子核的轨道上运动。考虑到玻尔的互补原理,电子可以被视为一个粒子,在这个考虑中得到的所有特征都是正确的(需要澄清一下这是一个基本粒子)。但是,电子可以表现为波。只有将粒子描述和波动描述结合起来,才能获得关于这一现象的全面信息。也就是说,关于电子围绕原子核的运动。此外,我们再次注意到,从这些计算中获得的所有特性都是正确的,并且符合实际情况(速度、波长等)。

因此,根据玻尔的理论,电子绕着原子核运动有一定的速度。从这里很容易得到周期表中化学元素数量的限制:1S电子在原子核周围移动时的速度不能高于真空中的光速。而严格地说,原子中的电子没有轨道。因为一般情况下对速度的经典理解并不适用于原子中的电子。但是,如果我们遵循互补原理,那么电子作为微粒的速度是正确的。因此,无论电子处于什么量子态,它有时不得不表现为微粒子(因为存在粒子波二元论)。这意味着这样一个“微粒”的速度必须小于光速。如果速度比真空中的光速高,那么这种电子状态在原则上就不可能存在。这就是为什么用氢原子的玻尔模型,我们可以得到关于1S电子速度的正确结果。当然,如果真空中电子的速度高于光速,那么根据定义,这种化学元素就不可能存在。

如果我们有一个带137电荷的原子核(Z=137),那么第一个玻尔轨道上的1S电子的速度将略低于真空中的光速。原子核电荷为138的化学元素已经不可能存在,因为1S电子的速度已经大于真空中的光速。这是不可能的。因此,Z=137的化学元素是元素周期表的理论极限。它有时被称为Feynmanium。

理查德·费曼认为,原子序数大于Z=137时,中性原子不可能存在,理由是相对论性狄拉克方程预测,这种原子中最内层电子的基态能量将是一个虚数。根据这一论点,中性原子不可能存在于非平衡之外,因此基于电子轨道的元素周期表在这一点上就会崩溃。然而,这个论点假定原子核是点状的。一个精确的计算必须考虑到原子核的小而非零的大小,它被预测会把极限进一步推到Z≈173。

但是,从费米耶(Z=100)开始,电子在玻尔第一轨道上的速度开始接近真空中的光速。这些元素的半衰期(Z=100及以上)也会下降。此外,在Z=100时,元素半衰期的变化实际上是任意的。但是,当电子的速度开始接近光速时,半衰期的减少就变得自然了。也就是说,核电荷越高,寿命最长的同位素的半衰期越短。

很明显,这是由于1S电子的相对论效应。如果你看洛伦兹因子与速度的依赖关系图,这一点就很清楚了。

从图中可以明显看出,从0.6℃到0.8℃的速度开始,洛伦兹因子开始快速增长。此外,从0.8℃开始,洛伦兹因子的增加变得更加迅速。从图中可以明显看出,元素半衰期的减少与1S电子相对论的增加有关。因此,原子核电荷大于118的元素的半衰期甚至更短,因为电子的相对论性将大大增加。这意味着下一个新元素的合成将是极其困难的。因此,Feynmanium(Z=137)确实是周期表中最后一个化学元素,洛伦兹因子与速度的依赖性清楚地证实了这一点。