Учителям химии недавно пришлось обновить свои классные декорации, объявив, что ученые подтвердили открытие четырех новых элементов в периодической таблице. Пока еще безымянные элементы 113, 115, 117 и 118 заполнили оставшиеся пробелы внизу знаменитой карты - дорожной карты строительных блоков материи, которая успешно использовалась химиками на протяжении почти полутора столетий.
Связанный контент
- Четыре новейших элемента теперь имеют имена
- Четыре новых элемента добавлены в периодическую таблицу
- Рыбная сперма может быть секретом утилизации редкоземельных элементов
Официальное подтверждение, предоставленное Международным Союзом Чистой и Прикладной Химии (IUPAC), длилось годами, так как эти сверхтяжелые элементы крайне нестабильны и сложны в создании. Но у ученых были веские основания полагать, что они существуют, отчасти потому, что периодическая таблица до сих пор была удивительно последовательной. Усилия, чтобы вызвать элементы 119 и 120, которые могли бы начать новый ряд, уже предпринимаются.
Но сколько именно элементов существует, остается одной из самых постоянных загадок химии, тем более, что наше современное понимание физики выявило аномалии даже у устоявшихся игроков.
«Трещины начинают появляться в периодической таблице», - говорит Уолтер Лавленд, химик из Университета штата Орегон.
Современное воплощение периодической таблицы организует элементы по строкам на основе атомного номера - количества протонов в ядре атома - и по столбцам на основе орбит их крайних электронов, которые, в свою очередь, обычно диктуют их личности. Мягкие металлы, которые имеют тенденцию сильно реагировать с другими, такими как литий и калий, живут в одном столбце. Неметаллические реактивные элементы, такие как фтор и йод, населяют другие.
Французский геолог Александр-Эмиль Бегьер-де-Шанкуртуа был первым, кто осознал, что элементы могут быть сгруппированы в повторяющиеся узоры. Он отобразил элементы, известные в 1862 году, упорядоченные по весу, в виде спирали, обернутой вокруг цилиндра ( см. Иллюстрацию ниже ). Элементы, расположенные вертикально на одном цилиндре, имели сходные характеристики.
Но это была организационная схема, созданная Дмитрием Менделеевым, вспыльчивым русским, который утверждал, что видел группы элементов во сне, который выдержал испытание временем. Его периодическая таблица 1871 года не была идеальной; например, он предсказал восемь элементов, которых не существует. Тем не менее, он также правильно предсказал галлий (теперь используется в лазерах), германий (теперь используется в транзисторах) и другие все более тяжелые элементы.
Периодическая таблица Менделеева легко приняла совершенно новый столбец для благородных газов, таких как гелий, который не был обнаружен до конца 19-го века из-за их склонности не реагировать с другими элементами.
Современная периодическая таблица более или менее согласуется с квантовой физикой, введенной в 20-м веке для объяснения поведения субатомных частиц, таких как протоны и электроны. Кроме того, группировки в основном удерживались, поскольку более тяжелые элементы были подтверждены. Bohrium, имя, данное элементу 107 после его открытия в 1981 году, так хорошо сочетается с другими так называемыми переходными металлами, которые его окружают, один из исследователей, который обнаружил его, объявил «Bohrium скучен».
Но интересные времена могут быть впереди.
Один открытый вопрос касается лантана и актиния, которые имеют меньше общего с другими членами своих групп, чем лютеций и лоуренсий. IUPAC недавно назначил рабочую группу для изучения этого вопроса. Даже гелий, элемент 2, не прост - существует альтернативная версия периодической таблицы, в которой гелий размещается с бериллием и магнием вместо его соседей по благородному газу, основываясь на расположении всех его электронов, а не только самых внешних.
«В начале, середине и конце периодической таблицы возникают проблемы», - говорит Эрик Шерри, историк из химического факультета Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.
Специальная теория относительности Эйнштейна, опубликованная спустя десятилетия после таблицы Менделеева, также внесла некоторые пробелы в систему. Относительность диктует, что масса частицы увеличивается с ее скоростью. Это может привести к тому, что отрицательно заряженные электроны, вращающиеся вокруг положительно заряженного ядра атома, будут вести себя странно, влияя на свойства элемента.
Рассмотрим золото: ядро заполнено 79 положительными протонами, поэтому, чтобы не упасть внутрь, электроны золота должны вращаться со скоростью, превышающей половину скорости света. Это делает их более массивными и вытягивает их на более плотную орбиту с более низкой энергией. В этой конфигурации электроны поглощают синий свет вместо того, чтобы отражать его, давая обручальным кольцам их характерный блеск.
Говорят, что печально известный физик, играющий в бонго Ричард Фейнман, призвал относительность предсказать конец периодической таблицы в элементе 137. Для Фейнмана 137 был «магическим числом» - он появился без видимой причины в других областях физики. Его расчеты показали, что электроны в элементах за пределами 137 должны будут двигаться быстрее скорости света и, таким образом, нарушать правила относительности, чтобы избежать столкновения с ядром.
Более поздние вычисления с тех пор отменили этот предел. Фейнман рассматривал ядро как единую точку. Позвольте этому быть шаром частиц, и элементы могут продолжать идти приблизительно до 173. Тогда весь ад распадается. Атомы за пределами этого предела могут существовать, но только как странные существа, способные вызывать электроны из пустого пространства.
Относительность не единственная проблема. Положительно заряженные протоны отталкивают друг друга, поэтому, чем больше вы упаковываетесь в ядро, тем менее стабильным оно будет. Уран с атомным номером 92 - это последний элемент, достаточно устойчивый для естественного появления на Земле. Каждый элемент за его пределами имеет ядро, которое быстро распадается, и период полураспада - время, которое требуется для распада половины материала, - может составлять минуты, секунды или даже доли секунды.
Более тяжелые, нестабильные элементы могут существовать в других частях вселенной, например, внутри плотных нейтронных звезд, но ученые могут изучать их здесь, только разбивая более легкие атомы, чтобы сделать более тяжелые, и затем просеивая через цепь распада.
«Мы действительно не знаем, какой самый тяжелый элемент может существовать», - говорит физик-ядерщик Витольд Назаревич из Мичиганского государственного университета.
Теория предсказывает, что будет момент, когда наши лабораторные ядра не будут жить достаточно долго, чтобы сформировать надлежащий атом. Радиоактивное ядро, распадающееся менее чем за десять триллионных долей секунды, не успевает собрать электроны вокруг себя и создать новый элемент.
Тем не менее, многие ученые ожидают, что острова стабильности будут существовать в будущем, где сверхтяжелые элементы имеют относительно долгоживущие ядра. Загрузка определенных сверхтяжелых атомов большим количеством дополнительных нейтронов может придать стабильность, предотвращая деформацию богатых протонами ядер. Например, ожидается, что элемент 114 будет иметь магически стабильное число нейтронов на уровне 184. Также было предсказано, что элементы 120 и 126 могут быть более долговечными.
Но некоторые претензии на сверхтяжелую стабильность уже развалились. В конце 1960-х годов химик Эдвард Андерс предположил, что ксенон в метеорите, который упал на мексиканскую почву, произошел в результате разрушения таинственного элемента между 112 и 119, который был бы достаточно устойчивым, чтобы встречаться в природе. Проведя годы, сужая свои поиски, он в конце концов отказался от своей гипотезы в 1980-х годах.
Прогнозировать потенциальную устойчивость тяжелых элементов нелегко. Расчеты, которые требуют огромных вычислительных мощностей, не были сделаны для многих известных игроков. И даже когда они есть, это очень новая территория для ядерной физики, где даже небольшие изменения во входных данных могут оказать глубокое влияние на ожидаемые результаты.
Одно можно сказать наверняка: создание каждого нового элемента будет усложняться не только потому, что более короткоживущие атомы сложнее обнаружить, но и потому, что для создания сверхтяжелых атомов могут потребоваться пучки атомов, которые сами являются радиоактивными. Независимо от того, есть ли конец периодической таблице, может быть конец нашей способности создавать новые.
«Я думаю, что мы далеки от конца таблицы Менделеева, - говорит Скерри. «Ограничивающим фактором сейчас кажется человеческая изобретательность».
Примечание редактора: принадлежность Витольда Назаревича была исправлена.
Периодическая таблица Рекомендуемый список чтения
Сказка о семи стихиях
купитьАвторитетное описание ранней истории периодической таблицы можно найти в книге Эрика Шерри « Сказка о семи элементах», в которой подробно рассматриваются противоречия, связанные с открытиями семи элементов.
Периодическая таблица
купитьЧитатели, интересующиеся Холокостом, должны взять копию мемуара Примо Леви « Периодическая таблица». Кроме того, для убедительной автобиографии, которая использует периодическую таблицу, чтобы создать жизнь одного из самых любимых неврологов в мире, см. Статью Оливера Сакса «Моя периодическая таблица ».
Исчезающая ложка: и другие правдивые рассказы о безумии, любви и истории мира из периодической таблицы стихий
купитьСэм Кин проводит своих читателей в оживленной и хаотичной суете по элементам «Исчезающей ложки».
Потерянные элементы: теневая сторона периодической таблицы
купитьЭнтузиасты науки, заинтересованные в инсайдерском бейсболе за элементами, которые никогда не попадали в периодическую таблицу, могут проверить хорошо исследованные «Потерянные элементы » Марко Фонтани, Мариаразия Коста и Мэри Вирджиния Орна.
