元素周期表涵盖了全球已知的元素?

易金矿业网 2023-06-16 18:50 编辑:admin 209阅读

一、元素周期表涵盖了全球已知的元素?

目前,元素周期表中的前七族元素(1~118号元素)已经补全,包括了地球上存在的所有元素;而超铀元素的半衰期非常不稳定,绝大部分在自然界中不存在,只能由人工合成。

元素周期律

自从一百多年前,门捷列夫发现元素周期律以来,人们已经合成了许多自然界中不存在的元素,大大扩展了元素周期表的范围。

在2006年,美国国家实验室合成了118号超重元素,补全了元素周期表中前七族元素的最后一环。

在自然界中,最大的非放射性元素是铅,大量存在的最重元素是铀;原子序数比铀大的叫做超铀元素,绝大部分是人工合成的,就算在自然界中有发现,也是极其微量的。

合成的新元素

随着原子序数的增大,元素的稳定性原来越差,半衰期也变得更短;比如在2016年,国际正式命名的四种新元素113、115、117和118号,半衰期分别是20秒、2.6秒、0.8秒和12毫秒:

超过118号的元素,将开启全新的第八族元素周期表,目前还没有被公认的第八族元素被合成,就算第八族元素存在,半衰期也是非常短的。

稳定岛理论

不过,在核子物理中,存在一个神秘的“幻数”现象,迄今发现的幻数有2、8、14、20、28、50、82、126,当元素的核子数目与上面数值吻合时,原子核的稳定性相对较大,叫做稳定岛理论,比如:

(1)8个中子和8个质子,结合成的氧-16,原子核性质非常稳定;

(2)20个中子和20个质子,结合成的钙-40,原子核性质非常稳定;

(3)20个中子和20个质子,结合成的钙-40,原子核性质非常稳定;

(4)拥有28个质子,结合成镍的部分同位素,原子核性质非常稳定;

(5)拥有50个质子,结合成锡的部分同位素,原子核性质非常稳定;

(6)126个中子和82个质子,结合成的铅-208,原子核性质异常稳定;

根据稳定岛理论,由126个中子和126个质子,结合成的126号元素也将是一个稳定元素,不过目前还未发现大于118号的元素存在。

二、铀的半衰期是多少?

铀有15种同位素,其原子量从227-240。所有铀同位素皆不稳定,具有微弱放射性。铀的天然同位素组成为:238u(自然丰度99.275%,原子量238.0508,半衰期4.51X109a),235U(自然丰度0.720%,原子量235.0439,半衰期7.00X108a),234U(自然丰度0.005%,原子量234.0409,半衰期2.47X105a)。其中235u是惟一天然可裂变核素,受热中子轰击时吸收一个中子后发生裂变,放出总能量为195MeV,同时放2~3个中子,引发链式核裂变;238U是制取核燃料钚的原料。

三、铀为什么会衰变?铀不停地衰变,为何在45.5亿年后地球上还有铀?

铀是人类利用核能的重要原料,也是一种会发生衰变的放射性元素,铀为什么会衰变呢?这就要从原子的微观结构讲起了。

众所周知,原子是由原子核和电子构成,而原子核则是由一定数量的质子和中子构成。在拥有多个质子的原子核的内部,存在着两种力量的较量,其中的一方是强相互作用力,其作用是将质子和中子结合在一起,另一方则是电磁力,由于质子都带正电,因此当原子核内存在着多个质子时,它们之间就会产生排斥力。

强相互作用力是宇宙四大基本力中最强的一种,但这种力却是一种短程力,其作用距离仅为10^(-15)米,相比之下,电磁力却是长程力,从理论上来讲,其作用距离是无限的,而这也就意味着,质子之间的排斥力是可以叠加的,而强相互作用力却只能“单打独斗”。

正因为如此,当原子核内部的质子数量达到一定程度的时候,质子之间的排斥力就可以达到足以抗衡强相互作用力的强度,于是原子核就会变得不稳定。

实际上,铀原子核就是属于这种情况,铀是我们能够在自然界中找到的最重元素,其原子序数为92,也就是说,在铀原子核之中的质子数量高达92个,拥有如此多的质子,铀原子核当然也就不稳定了,而这就是铀会发生衰变的原因。

我们知道,宇宙万物都会自发地趋向于稳定状态,铀原子核当然也不例外,那如何才能让自己更稳定呢?一个最有效的途径就是减少自己的质子数量。

然而对于铀原子核这种拥有大量质子和中子的重原子核来讲,想要单独释放质子几乎是一件不可能的事情,因为在重原子核的内部存在着一种“结团效应”,简单来讲就是,在重原子核的内部,质子和中子并没有均匀分布,而是结合成一团一团的,其中最容易结成的团就是由两个质子和两个中子构成的“α结团”。

所以铀原子核就总是会趋向于向外释放出一个“α结团”,是的,这就是我们常听到的“α衰变”,当铀原子核发生“α衰变”之后,就会一次性减少两个质子和两个中子,其原子序数就会减2,进而转变成90号元素――钍,比如说铀-238在发生“α衰变”之后,就会转变成钍-234。

正如我们所知,地球的“年龄”大约为45.5亿年,那么问题就来了,既然铀不停地衰变,那为何在45.5亿年后地球上还有铀呢?其实这很好理解。

铀原子核总是会趋向于衰变,并不代表它马上就会衰变,这其实是有概率的。对于单个铀原子核而言,它何时衰变是不确定的,也就是说,它有可能在1秒钟后就发生衰变,也有可能在1亿年之后才会衰变,但如果观测到的铀原子核数量足够多,它们的衰变就具备了明显的规律。

这里就需要提到“半衰期”的概念了,我们可以将其简单地理解为:一大堆放射性元素的原子核有一半发生衰变所经历的时间。

举个例子,假设有一种放射性元素的半衰期为1秒,那么我们观测2亿个这样的原子核的时候,只需要1秒,就有1亿个原子核会发生衰变,而在下一秒,剩下的1亿个之前没有衰变的原子核中又有5000万个会发生衰变,随着时间的推移,这些原子核就会不断地“减半”,直到其数量小到不再具有统计意义。

相关研究表明,在地球上自然存在的铀只有铀-238、铀-235和铀-234这三种同位素,它们的衰变类型都是“α衰变”,其中铀-238的半衰期最长,大约为44.68亿年,也就是说,在经历了45.5亿年之后,地球上的铀-238其实只衰变了差不多一半。

相对而言,铀-235和铀-234的半衰期更短,分别为大约7.04亿年和24.55万年,不过在45.5亿年的时间里,它们的“减半”次数还不足以让它们在自然界中消失殆尽,只是它们的相对丰度要比铀-238更低,测量数据表明,地球上的铀-238、铀-235和铀-234的相对丰度分别为99.2742%、0.7204%和0.0054%。

简单总结一下就是:虽然铀不停地衰变,但是由于铀有三种同位素的半衰期都相对较长,以至于在45.5亿年后的地球上,我们仍然可以发现它们的踪迹。

值得一提的是,宇宙中的铀元素其实都是在超新星爆发、中子星碰撞这样的高能事件中产生的,在经历了漫长的时间之后,它们中的极小一部分才来到地球,所以地球上的铀其实比我们想象中的还要古老,在来到地球之前,它们其实已经衰变了很长时间了。

铀之所以会发生衰变,是因为铀元素的内部核子数量较多,所以会发生衰变,之所以在45亿多年以后,地球上还有铀元素的存在,是因为铀元素有三种同位素的半衰期都相对比较长,所以到现在仍能够看到铀元素的踪迹。

铀原子核就总是会趋向于向外释放出一个“α结团”,是的,这就是我们常听到的“α衰变”,当铀原子核发生“α衰变”之后,就会一次性减少两个质子和两个中子,其原子序数就会减2,进而转变成90号元素。为什么地球上还有:因为铀原子核总是会趋向于衰变,并不代表它马上就会衰变,这其实是有概率的。对于单个铀原子核而言,它何时衰变是不确定的。

天然存在的铀同位素只有三种,丰度最高的是U-238,其半衰期高达40多亿年。也就是说,经过了46亿年的漫长时间,地球上的U-238的储藏量也只是减了个半。其他同位素如U-235、U-234由因为半衰期相对较短,所以在过去的时间里被减半了很多次,现在的丰度就变得很低了。

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