元素周期表有尽头吗？ 第1页

截至2009年，奥格涅斯扬领导多方团队发现了117号元素“钅田”（一说石田），元素周期表的第七周期已经全部被填补完整，共有118枚元素。

第七周期就是元素周期表的终结吗？元素周期表会不会有个尽头呢？

一、玻尔模型

根据玻尔模型，1s轨道电子的速度公式如下：

也就是说，如果原子序数超过137，1s轨道电子的速度就要超光速了。这显然不可能，所以很多人认为137号元素就是元素周期表的终点，这个数字恰好是精细结构常数的倒数。有传言，费曼就持这个观点，他还因此把137号元素命名为：femanmanium。

二、狄拉克海

玻尔模型没有考虑1s电子的相对论效应，如要考虑，则必须请出狄拉克方程。根据狄拉克方程的预言，真空并不空，而是一片“狄拉克海”。

这是根据狄拉克方程的电子基态能量：

当Z>173时，将出现非常奇怪的现象。如果距离原子核最近的1s亚层没有电子的话，原子核的电场将从真空里抓出一个电子填进1s亚层，同时自发辐射出一个正电子。

从下面这个能量图上，可以看出，当Z>173时，1s电子的能级就低于-mc2了，好像潜水了一样。

有人认为Z>173的元素不会存在，其实不然。

Z>173元素的原子被称为“超临界原子”，原子核周围的强场被限制在一个非常小的空间内，由于1s亚层的能级已经潜入真空的最低能量之下，泡利不相容原理会禁止进一步自发地产生电子对。

总之，科学家们认为超临界原子的电子结构并不是什么瓶颈，所以元素周期表的终点可能更加取决于原子核的稳定性，而不是电子壳层的稳定性。

是啊，到了第七周期的尾部，元素的半衰期越来越短，115号元素“钅莫”以后，已发现的最稳定同位素的半衰期没有超过1秒的，118号元素“奥气”的最稳定同位素Og294的半衰期只有0.69毫秒。按照这个规律，更重的元素半衰期将更短，瞬间就会发生衰变。那么，再往下去寻找新元素，还有意义吗？

三、稳定岛理论

从梅耶女士提出幻数理论之后，物理学家们开始不断深入到原子核的内部，西博格在此基础上提出了稳定岛理论，拥有某些“幻数”的质子数和中子数的核素可能会更加稳定。

稳定岛理论预言，126、138、154和164等号元素都可能是比较稳定的元素，但这也仅仅是预言而已。

关于“幻数理论”和“稳定岛理论”，请参阅下面的帖子。

四、小结一下各位专家的声音：

Richard Feynman：137

Yogendra Gambhir：146

Pekka Pyykkö：172

Albert Khazan：155

Walter Greiner：没有最高的

总结一下：

1，到目前为止，还没有一个最有说服力的理论能完全回答这个问题：元素周期表有没有终结点。

2，到目前为止，人类发现的最高原子序数的元素就是118号元素“奥气”。

3，IUPAC定义，一种元素只有它的半衰期大于10^-14秒，才可以被认为是一种元素。因为如果半衰期更短，就没有足够 时间形成电子云。

4，不管怎样，“元素周期表有没有终结点”这是一个好问题，指引着我们去理解电子壳层甚至原子核内部的奥秘。

前118号元素的故事都已经记录在我的专栏里，欢迎大家互相学习交流。

参考：

1，https://www.chemistryworld.com/opinion/column-the-crucible/3005076.article

2，https://en.wikipedia.org/wiki/Extended_periodic_table

3，https://en.wikipedia.org/wiki/Periodic_table#Element_with_the_highest_possible_atomic_number

4，https://en.wikipedia.org/wiki/Aufbau_principle#The_Madelung_energy_ordering_rule

5，http://fse.studenttheses.ub.rug.nl/14531/1/report.pdf

6，https://www.researchgate.net/publication/284213926

7，http://www.kernchemie.de/Transacti

IUPAC将元素定义为原子寿命至少有10^-14秒的原子^[1]，这个时间长度是原子核周围形成电子云所需的时间。按这个标准和现有的理论，能够视为元素的原子所含的质子数量的上限可能是137个或173个，也可能没有上限。而且，即使上述质子数量有上限，元素周期表仍有可能朝其它方向扩展。因此，元素周期表可能没有尽头。

现实中，由于技术有限，人类还没有制造出原子核中含有超过118个质子的元素。理论上，含有大量质子的原子可以在质子数·中子数是“幻数”时相对稳定，相关理论称为“稳定岛”，以尚未制造出来的126号元素为中心、被质子滴线和中子滴线所限制^[2]。

理查德·费曼指出，根据玻尔模型，原子核中含有超过137个质子时，内层轨道电子的速度会超越真空光速。相对论狄拉克方程则会在原子核中含有超过137个质子的时候出现虚数解。因此有学者将137号元素作为元素周期表的上限。但玻尔模型没有考虑相对论，狄拉克方程没有考虑原子核的实际尺寸。

一些理论认为，含有超过173个质子的原子核可能无法形成原子，只能以离子形式存在^[3]。

• 这是因为在质子数为173时，现有理论显示原子核将达到“临界电荷”，其结合能1.022兆电子伏特超过了电子的不变质量对应的能量的2倍，或曰电子-正电子对的湮灭能量，意味着这种原子的1s轨道在没有被电子充满时原子核的电场会从真空中创生电子-正电子对，进而导致核外电子数量与原子核所含的质子数量不相等。
• 也有学者认为上述限制并不重要：如果1s轨道被电子填充，上面所说的事情就不会发生^[4]。

也有学者不同意IUPAC的定义。那就没什么谱了：哪怕“原子核”大到了能坍塌为黑洞的规模，你也可以说它在坍塌成黑洞前存在过。

在这之外，由反质子、反中子、正电子组成的反物质原子也可以放在元素周期表上。人类在二十世纪九十年代制造出-1号元素“反氢”的原子，在2011年制造出-2号元素“反氦”的同位素“反氦-4”的原子^[5]，目前还没有制造过反锂、反铍等东西的原子。理论上负数序列的元素周期表也可以一直延伸到-137或-173，抑或没有限制。含有超过173个反质子的反物质原子核也可能无法形成原子，只能以离子形式存在。

中子可以视为0号元素——尽管科学文献并不喜欢这样使用。单个中子的半衰期约611秒。2012年，人类制造了由强力连接的2个中子，测得其半衰期为10^-22秒^[6]。法国科学家曾经自称制得了由强力连接的4个中子，但实验目前无法复现，可能是观测错误——如果这玩意真能存在，现有的核力模型需要修改。

有些科学作家或记者称中子星就像巨大的0号元素原子核，但传统而言原子核应当由强相互作用结合在一起，而中子星是由引力相互作用结合在一起的，并不应该视为原子核。而且中子星上可能有一些质子，从而即使当做原子核也不是0号元素，反而可能是极其夸张的巨大序号。

目前还没有什么科学文献探讨过双荷子等组成的虚数序号或复数序号的元素，也没有科幻小说尝试仔细探讨这种东西的性质。量子电动力学中的电荷是厄米算符的本征值，不能是有非零虚部的复数，不过你可以自创超越QED的物理学来定义虚数电荷——对科幻小说而言这不算太可怕，量子力学里虚数满地都是，文小刚老师已经在知乎上质疑过实数的功用。i号元素、1+i号元素之类东西可能具有和氢、反氢完全不相似的性质。

参考

1. ^ 原子的寿命/lifetime，指衰变到还剩原来1/e的时间，约等于半衰期的1.44倍。例如氡的半衰期是3.8天，寿命是5.5天。
2. ^ 在稳定的原子核中加入中子，原子核会变得愈发不稳定，直到中子不能再与核相结合，这种极限被称为中子滴线（neutron dripline），质子滴线类推。
3. ^ Walter Greiner and Stefan Schramm, Am. J. Phys. 76, 509 (2008
4. ^ https://www.chemistryworld.com/opinion/column-the-crucible/3005076.article
5. ^ https://arxiv.org/abs/1103.3312
6. ^ https://dx.doi.org/10.1103%2FPhysics.5.30