Тот, кто гасит свет. Фейнманий и глубины таблицы Менделеева
Попробуйте почитать англоязычные источники по истории химии и поищите в них какие-либо упоминания о периодической таблице. Вы удивитесь, но все же следите за тем, чтобы подобные формулировки тщательно избегались. Настойчиво и как-то политкорректно пишут о "периодической системе элементов". При упоминании не только Менделеева, но и всех причастных роль Мейера, Деберейнера и Шанкуртуа подчеркивается с не меньшим пафосом, чем решающая роль открытия второго фронта в заключительной фазе Второй мировой войны.
Отдавая должное уважаемым западным партнерам Менделеева и лично Роберту Бунзену, у которого Дмитрий Иванович учился в 1859-1861 гг., отметим, что Менделеев вошел в историю науки не как классификатор известного, как Линней, а как провидец, который был в состоянии предсказать элементы, которые еще не были открыты, и что более важно в контексте этой статьи правильно разместить йод и теллур, несмотря на то, что теллур тяжелее йода.
В настоящее время оганесон (Ог) №118 замыкает периодическую таблицу. Он лежит ровно под радоном (№ 86) и, по логике Менделеева, должен быть благородным газом, так как замыкает седьмой период. Но с окончанием этого самого удивительного, изменчивого и взрывоопасного периода, включавшего в себя уран, плутоний, менделевий, флеровий и оганесон, вновь актуализируются вопросы: где заканчивается таблица Менделеева? И соблюдается ли периодический закон до предела? Удивительно, но первый ответ на этот вопрос достаточно уверенно дал Ричард Фейнман.
При этом он опирался на традиционную модель атома, предложенную Бором. Как известно, в модели Бора ядро атома окружено облаком электронов, и электроны обращаются вокруг ядра только по строго определенным разрешенным орбитам. Электрон не может занимать промежуточную орбиталь, но может переходить с одной разрешенной орбитали на другую. Такой переход происходит мгновенно с испусканием или поглощением кванта энергии и называется «квантовым скачком».
Скорость электрона в определенном квантовом состоянии рассчитывается по следующей формуле
Менделеев и его химический СОН
,
где Z — атомный номер, соответствующий числу протонов в ядре атома и, следовательно, числу электронов, вращающихся вокруг нейтрального атома. Здесь n — квантовое состояние электрона, а — постоянная тонкой структуры. Постоянная тонкой структуры рассчитывается по формуле
,
где e — элементарный заряд, h — постоянная Планка, e0 — диэлектрическая проницаемость, также называемая безвакуумной магнитной проницаемостью.
Соответственно, чем дальше от ядра внешняя электронная оболочка атома, тем выше скорость движущегося по ней электрона. Ричард Фейнман подсчитал, что при Z = 137 скорость электрона будет немного меньше скорости света. По этой логике элемент с атомным номером 138 не может существовать; в противном случае его внешний электрон превысил бы скорость света.
Резерфордий и беззаконие
Но на практике все сложнее. Сначала начинают проявляться релятивистские эффекты в ядрах тяжелых и сверхтяжелых элементов. Расчеты, которые предсказывают, где может оказаться периодическая таблица, основаны на теории относительности. С увеличением ядра в нем становится все больше и больше протонов, а значит, возрастает и сила притяжения, действующая на электроны. Соответственно растет и скорость крайних электронов, все более и более приближаясь к скорости света. При таких скоростях электроны становятся «релятивистскими», и свойства этих элементов не объясняются полностью только положением элемента в таблице. Некоторые из этих эффектов видны невооруженным глазом. Итак, в атомах золота электроны вращаются вокруг ядра со скоростью примерно вдвое меньшей скорости света. Из-за этого контуры орбиталей меняются так, что золото поглощает синюю часть видимого спектра, а остальные фотоны отражаются от него. Мы наблюдаем белый свет за вычетом сине-фиолетовой составляющей, и в результате золото приобретает характерный желто-красный блеск, выделяющийся на фоне окружающих серебристых металлов.
68% учеников этого НЕ ЗНАЮТ! Таблица Менделеева — Как пользоваться?
Еще в 1990-х годах были проведены первые эксперименты, показавшие, что резерфордий (104) и дубний (105) не проявляют свойств, которые должны согласовываться с их положением в таблице Менделеева. По периодическому закону они должны быть аналогичны по свойствам элементам, расположенным непосредственно над ними, соответственно гафнию и танталу. На самом деле резерфордий реагирует как плутоний, что весьма далеко от него, а дубий реагирует как протактиний. С другой стороны, сиборгий (106) и борий (107) подчиняются закону, выведенному Менделеевым.
Более того. Получается, что рентгений (111) по свойствам ближе к астату, а не золоту, а коперниций (112) тяготеет по свойствам к благородным газам даже сильнее, чем оганесон (118). Вероятно, теннессин (117) по свойствам более близок к галлию, а нихоний (113) — к щелочным металлам. Все эти аномалии связаны со все более выраженным проявлением релятивистских эффектов в сверхмассивных атомах.
Немного о корпускулярно-волновом дуализме
Боровская модель атома в интерпретации, согласно которой элемент № 137 должен замыкать таблицу, также не вполне соответствует реальному состоянию. Предмет квантовой физики намного сложнее предмета классической физики; Как правило, квантовые явления не имеют визуального аналога на макроуровне. Например, в соответствии с законами классической физики электроны, обращающиеся вокруг ядра, должны падать на ядро, а атомы должны коллапсировать.
Кажется, что само существование атома есть опровержение законов физики. Но на самом деле все иначе. Классические законы непреклонны, но электроны не попадают в ядро, потому что электрон, строго говоря, не частица. Электрон подчиняется корпускулярно-волновому дуализму, то есть одновременно проявляет свойства частицы и волны, а потому не падает на ядро. Тем не менее, даже учитывая корпускулярно-волновой дуализм, скорость электрона не может превышать скорость света в вакууме.
Сам мистер Фейнман
Ричард Фейнман считал, что при атомном номере больше Z = 137 нейтральный атом не может существовать. Дело в том, что, согласно релятивистскому уравнению Дирака, при больших значениях Z основное энергетическое состояние ближайшего к ядру электрона будет выражаться мнимым числом. Однако такое рассуждение предполагает, что ядро является точечным. Если предположить, что ядро имеет минимальный, но не нулевой физический размер, периодическая таблица должна продолжаться до Z ≈ 173.
Что дальше
Предполагается, что при Z ≈ 173 подоболочка 1s под действием электрического поля ядра «погружается» в отрицательный континуум (море Дирака), что приводит к спонтанному рождению электрон-позитронных пар и, как следствие отсутствия нейтральных атомов над элементом Ust (унсептрия) с Z = 173. Атомы с Z > Zcr 173 называются сверхкритическими атомами. Также предполагается, что элементы с Z > Zcr могут существовать только в виде ионов.
Сверхкритические атомы не могут быть полностью ионизированы, так как самопроизвольное образование пар быстро произойдет на их первой электронной оболочке, где из моря Дирака выходят электрон и позитрон, причем электрон вплетается в атом, а позитрон улетает. Правда, поле сильного взаимодействия вокруг атомного ядра очень короткодействующее, поэтому принцип запрета Паули не допускает дальнейшего самопроизвольного рождения пар после заполнения оболочек, погруженных в море Дирака. Элементы 173–184 называются слабо надкритическими атомами, так как в море Дирака погружена только оболочка 1s; предполагается, что оболочка 2p1/2 будет полностью заполнена вблизи элемента 185, а оболочка 2s будет полностью заполнена вблизи элемента 245 тяжелые ядра (например, свинец с ураном, который может дать Z = 174; уран с ураном, который дает Z = 184, и уран с калифорнием, который дает Z = 190). Возможно, ключевую роль в финале периодической таблицы сыграет ядерная нестабильность, а не нестабильность электронных оболочек.
Наконец, считается, что в области за Z > 300 может находиться целый континент стабильности, состоящий из гипотетической кварковой материи (она же квантовая хромодинамическая материя). Такая материя может состоять из свободных верхних и нижних кварков вместо кварков, связанных с протонами и нейтронами. Считается, что это основное состояние барионной материи, которая имеет более высокую энергию связи на барион, чем ядерная материя. Если такое состояние вещества реально, оно может быть синтезировано в ходе термоядерных реакций обычных сверхтяжелых ядер. Продукты таких реакций благодаря высокой энергии связи должны полностью преодолевать кулоновский барьер.
Пока это все теория, и повторимся, нам удалось заполнить только седьмой период таблицы Менделеева к 150-летию открытия периодического закона (1869-2019). Каким-то образом период полураспада новых тяжелых элементов быстро сокращается; если для резерфордия-267 это около 1,3 часа, то для рентгения-282 всего 2,1 минуты, а для оганессона сотни микросекунд. Таким образом, финал близок, а за ним может открыться сиквел или режиссерская версия материального мира. Путь туда проходит через досветовые орбитали Фейнманиума.
