門捷列夫原子量排列已知元素，并注意到伴隨著原子量的增加，化學(xué)性質(zhì)會周期性重復(fù)現(xiàn)在我們知道，化學(xué)性質(zhì)取決于價(jià)電子的數(shù)量原子核每增加一個(gè)質(zhì)子，價(jià)電子就增加一個(gè)，直到電子層被填滿盡管門捷列夫不知道質(zhì)子，但他確實(shí)注意到了元素周期表中的空白他正確地將這些空白解釋為尚未被發(fā)現(xiàn)的四種元素，甚至預(yù)言了它們的許多屬性

伴隨著時(shí)間的推移，發(fā)現(xiàn)了其中的三種元素:鈧，鎵和鍺但是仍然缺少一種元素，就在鉬和釕之間我們發(fā)現(xiàn)它必須有一個(gè)由43個(gè)質(zhì)子組成的原子核七十年來，化學(xué)家們一直在尋找43號元素，但在自然界中卻找不到它但最終還是被發(fā)現(xiàn)了，但不是在自然界

1937年，意大利物理學(xué)家埃米利奧·塞格雷得到了一些鉬箔，它們曾經(jīng)是歐內(nèi)斯特·勞倫斯新發(fā)明的回旋加速器的一部分箔片在加速器中具有放射性，塞格雷和他的卡洛·巴黎水可以證明一些鉬獲得了質(zhì)子，可以轉(zhuǎn)化為43號元素他們用希臘語藝術(shù)和中文锝來命名新元素锝它是一種銀灰色金屬，化學(xué)性質(zhì)介于錳和釕之間，在元素周期表中低于錳，高于釕

那么，在自然界中可以找到所有其他元素的情況下，我們?yōu)槭裁催€要人工制造锝呢其實(shí)锝在自然界也是可以產(chǎn)生的它是在超新星爆炸中形成的但是锝是如此的不穩(wěn)定，以至于當(dāng)?shù)厍驈乃佬堑乃槠蝎@得這種物質(zhì)時(shí)，所有的锝都已經(jīng)消失了

元素可能是不穩(wěn)定的這一觀點(diǎn)的一個(gè)更常見的術(shù)語是放射性，我們傾向于把它與非常重的元素如鈾和钚聯(lián)系起來但實(shí)際上，元素周期表上的任何元素都可能是不穩(wěn)定的更準(zhǔn)確地說，周期表中的每一種元素都有不穩(wěn)定的同位素同位素是指同一種元素的不同版本，具有不同數(shù)量的中子

例如，一個(gè)碳原子的原子核中有六個(gè)質(zhì)子碳12有六個(gè)中子，非常穩(wěn)定另一方面，碳—14有八個(gè)中子，非常不穩(wěn)定它有一個(gè)額外的中子，在釋放電子和中微子后轉(zhuǎn)化為質(zhì)子，從而將其轉(zhuǎn)化為氮?dú)饷總€(gè)元素都有不穩(wěn)定同位素，有的元素只有不穩(wěn)定同位素原子序數(shù)越大，產(chǎn)生的穩(wěn)定同位素越少，半衰期越短質(zhì)子數(shù)超過118的元素衰變速度如此之快，以至于我們從未在實(shí)驗(yàn)室中檢測到它們

事實(shí)上，穩(wěn)定性取決于原子核中質(zhì)子和中子之間的平衡你可能會認(rèn)為，經(jīng)過一個(gè)半世紀(jì)的核物理思考，我們已經(jīng)搞清楚了所有這些規(guī)則但事實(shí)上，原子核的動力學(xué)如此復(fù)雜，需要復(fù)雜的計(jì)算機(jī)建模才能理解，但許多謎團(tuán)仍然存在

原子核是極端力處于微妙平衡的地方一方面，我們有電磁力試圖分離所有帶正電的質(zhì)子，由于質(zhì)子之間的距離很近，這種斥力很大另一方面，我們有更強(qiáng)的核力將核子聚集在一起，這涉及到在核子之間發(fā)送虛擬夸克包——介子但是要知道強(qiáng)力是短程效應(yīng)如果原子核變得太大，強(qiáng)大的力也無法把它保持在一起，各種類型的核衰變就不可避免了

雖然動力很強(qiáng)，但是真正起作用的時(shí)候在短距離內(nèi)變化不大可是，兩個(gè)電荷越接近，電磁力就越強(qiáng)這意味著如果質(zhì)子靠得太近，電磁力可以壓倒強(qiáng)力，這是破壞原子核穩(wěn)定性的另一種方式這就是中子工作的原因它們有助于分離質(zhì)子，從而使質(zhì)子的強(qiáng)度大于電磁力

對于較小的原子核，質(zhì)子和中子的均勻分布通常是最穩(wěn)定的但對于較重的元素，需要越來越多的中子來提供緩沖，中子質(zhì)子比達(dá)到1.5或更高但這只是穩(wěn)定性理論的一部分沒有解釋為什么單個(gè)中子的差異可能意味著穩(wěn)定性的巨大差異，也沒有解釋為什么锝?jīng)]有穩(wěn)定同位素

為了理解這一點(diǎn)，我們必須超越把原子核看成是質(zhì)子和中子的混合體的想法我們必須把這些原子核看作是有能級的，就像電子一樣高中化學(xué)課上說過，如果一個(gè)電子層有八個(gè)電子，那它就是穩(wěn)定的同樣，也有一些幻數(shù)可以完成核殼中子是2，8，20，28，50，82，126，質(zhì)子是2，8，20，28，50，82，114原子核離這些數(shù)字越近，就越穩(wěn)定

這些幻數(shù)是偶數(shù)，那是因?yàn)楹俗邮歉鶕?jù)它們的量子自旋配對的，向上和向下的自旋導(dǎo)致凈零自旋這種自旋耦合意味著，即使質(zhì)子或中子的數(shù)量不為幻，原子核仍然傾向于具有偶數(shù)個(gè)質(zhì)子，或者偶數(shù)個(gè)質(zhì)子加中子自旋未得到補(bǔ)償?shù)馁|(zhì)子或中子似乎對穩(wěn)定性有害

這能解釋锝的不穩(wěn)定性嗎當(dāng)然，我們可以看到43并不是質(zhì)子的幻數(shù)，但是它附近的奇元素，比如有47個(gè)質(zhì)子的銀，都有非常穩(wěn)定的同位素即使給锝一個(gè)特定的中子數(shù)，使其原子核數(shù)為偶數(shù)，也無濟(jì)于事例如，锝—96將在不到一小時(shí)內(nèi)衰變所以除了中子填充，核殼填充和自旋耦合，似乎還有更神秘的力量在起作用

事實(shí)證明，沒有一套簡單的原則來確定核穩(wěn)定有太多的因素在起作用，解決這個(gè)問題的唯一方法就是模擬原子核通過使用計(jì)算技術(shù)，如密度泛函理論，我們已經(jīng)在這個(gè)領(lǐng)域取得了一些顯著的成功這些模型仍然不完美，但它們做出了許多我們已經(jīng)驗(yàn)證過的預(yù)測，還有一些我們尚未驗(yàn)證的預(yù)測，比如穩(wěn)定島

當(dāng)我們將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與我們的模擬相結(jié)合，我們可以制作這樣一個(gè)圖表，在這里我們可以看到這些神奇的數(shù)字質(zhì)子數(shù)為幻數(shù)的元素有更多的穩(wěn)定同位素，而中子數(shù)接近幻數(shù)的元素往往有更多的同位素模型已經(jīng)出現(xiàn)，但它并沒有為我們提供產(chǎn)生穩(wěn)定原子核所需條件的明確規(guī)則

那么，有沒有不在周期表上的元素呢我們的計(jì)算表明，當(dāng)前周期表之外的質(zhì)子和中子可能有更多的幻數(shù)，我們的計(jì)算機(jī)模擬也同意這一觀點(diǎn)我們不確定這些幻數(shù)是什么，但顯然它們在中子184和質(zhì)子126附近，它們的半衰期可能是幾百萬年

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