第8周期元素

第8週期元素指的是擴展元素週期表中第8週期中50個假想化學元素中的任何一個。它們根據IUPAC元素系統命名法命名。這些元素都仍未被發現或合成,它們的同位素可能都太不穩定,近期都不一定會有重要性。由於滴線不穩定性,可能只有較前的第8週期元素能夠存在,而週期表可能會在穩定島後的Ubh(原子序126)處終結。此區域中沒有一個元素被成功合成或在自然中發現。相對論性效應可能導致當中某些元素在以下的元素週期表中位置有所變動。

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

這項反應並不會有作用,因為鑀-254極為罕見,製造足夠的份量十分困難,太小的撞擊目標使實驗無法達到所需的敏感度。

在2007年3月至4月,Ubn的合成在杜布納的Flerov核反應實驗室進行嘗試,以鐵-58離子撞擊鈈-244目標。初步分析並沒有發現任何元素120的原子,限制產量為400 fb。

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

該俄羅斯團隊正計劃在重新嘗試反應前升級其設施。

在2007年4月,位於重離子研究所的團隊嘗試利用鈾-238和鎳-64創造Ubn:

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

在1.6 pb的限制下沒有探測到原子。重離子研究所用更高的敏感度重復了實驗,在2007年4月至5月、2008年1月至3月及2008年9月至10月分別進行了三次嘗試。所有嘗試均沒有產生原子,截面限制為90 fb。

g-區塊元素
第8週期是第一個包括g區塊的週期,該區塊由元素121開始,但5g殼層的填充在何處終結則不清。這些元素屬於超錒系元素,擁有部分填充的5g和6f殼層,因此好像錒系元素一樣有不同的化學特性。然而,5g和6f殼層的接近,加上這兩殼層與7d和8p殼層間的小間隔,可以產生一系列元素,擁有和它們在週期表中的位置不相關的屬性。Marinov等人的發現被一部分科學界批評,Marinov則稱他已把論文提交到《自然》和《自然物理學》,但都在提交到同行評審前被退回了。

他們此前利用相同的方法金性質譜分析後識別較輕的釷同位素,而對此方法的批判在2008年發表在《物理評論C》中。之後Marinov的團隊再於《物理評論C》中發表了一份駁辭。

利用更優越的加速器質譜法再次進行對釷沈積物的分析實驗後,並未能證實先前的結論,儘管敏感度提高了100倍。該結果使Marinov有關半衰期特別長的釷、及Ubb同位素的研究成果的可信度大大降低。

Bimbot等人於1971年首次嘗試了合成Ubh,利用以下的熱核聚變反應:

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

反應中探測到高能α粒子,並能作為成功合成Ubh的可能證據。近期的研究指出這不大可能,因為根據目前的理解,1971年所進行的實驗敏感度比所需的低了幾個能級。至今沒有其他實驗嘗試合成Ubh。

該區域中的所有其它元素及更高的元素都沒有經過嘗試合成的實驗。

Feynmanium
元素137(Uts)有時被稱為feynmanium(符號為Fy),因為理查德·費曼曾提出,對相對論性狄拉克方程的簡單理解在Z > 1/α = 137時會發生問題,表示Uts以後的元素不能以中性原子的形式存在,並且以電子排佈排列的元素週期表會在此崩潰。然而,更嚴密的分析表明這個極限位於Z ≈ 173。

玻爾模型在原子序超過137時會發生困難,因為1s電子軌道中電子的速度v為:

:v = Z \alpha c \approx \frac{Z c}{137.036}

當中Z為原子序,α為精細結構常數(對電磁交互作用強度的測量)。根據這個近似值,所有原子序大於137的元素中1s電子的速度都會超越c,即光速。因此非相對論性的玻爾模型在此應用在超重元素時明顯不正確。

相對論性狄拉克方程也在Z > 137時發生問題,因為基態能為

:E=m c^2 \sqrt{1-Z^2 \alpha^2}

當中m為電子的靜止質量。當Z > 137,狄拉克基態的波函數是波動的而非束縛的,且正負能量譜之間沒有空隔,如克萊因悖論所言。

考慮到核子有限大小的效應並且更準確的計算指出,結合能在Z > Zcr ≈ 173處首先超過2mc2。當Z > Zcr,如果最內部的軌道沒有電子,則原子核的電場會從真空當中產生出一顆電子,導致自發放射出一顆正子。

f區塊元素
這些元素的電子雲的相對論性及量子力學效應預計甚至要比g區塊元素的更強,因為這些元素有更高的原子序。如果它們能夠被觀察到,則它們有可能擁有相似的化學特性,但5g和6f殼層(可能還有7d和8p殼層)之間距離相近的影響難以估計,這是由於較強的相對論性及量子力學效應。這些軌道之間能量的相近,可能導致電子同時填充這些軌道,產生一些列相似的元素,氧化態難以互相區分。根據電子排佈的元素週期性就可能不再成立了。

這些原子的存在在理論上是可能的,因為有著光速的限制,原子序的上限為Z = 173。之後再指定電子殼層便失去意義,元素也只能以離子形式存在。然而科技可能永遠也不足以合成它們。

元素週期表區塊

(未發現的元素以較淺顏色顯示)

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特性
化學特性
原子序如此高的時候,元素的週期性可能不再繼續成立,其實在第7週期末便開始瓦解。例如,2007年進行的化學研究表示,鈇擁有的屬性和從鉛推算的有所不同,並似乎是第一個有惰性氣體屬性的超重元素,這是由於相對論性效應。

物理及原子特性
同位素
電子排佈
Leonard I. Schiff預測了第8週期元素的電子排佈。化學族信息純粹是根據元素週期性的,但週期性很可能在如此重的元素崩潰。兩項預測十分不同。

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參見

  • 擴展元素週期表
  • 第9周期元素
  • 未發現元素列表

備註
參考資料

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