自1869年门捷列夫（Dmitri Mendeleev）发表了第一个被广泛认可的元素周期表以来，它便持续不断地在演化。至今，不同版本的元素周期表数量已经超过700多个了[1]，不断出现的新元素填补着表中的那些空块。
19世纪末，拉姆齐（William Ramsay） 为这张“元素家谱”增添了一组新的元素——惰性气体，拉姆齐也因此获得了1904年的诺贝尔化学奖。最近，这组元素迎来了一位新成员—— Oganesson（Og），它是已知原子序数最高的元素（Z=118）[2]。这个有趣的新元素于2002年被首次合成，将元素周期表的第七行全部填满，它也是第一个超重的（Z>103）惰性气体元素。（第118号元素首次于2002年在实验室中被制造，到了2016年才被正式命名为Oganesson。）
理解Og和其他超重元素时面临的重大挑战就是它们短暂的半衰期和低生产率。 据估算，Og的半衰期可能小于1毫秒，这个时间对于大多数的化学观察来说都是极度短暂的。因此，研究人员必须依靠理论预测来确定这种生命周期短暂的元素的基本属性。
物理学家发现，这一最重元素与其它元素相比，的确非比寻常，包括了一项刚刚发表在《物理评论快报》的论文[3]。下面是5个Og的奇异性质：
1. 不寻常的壳结构
根据经典物理学得到的计算，Og的电子应该排列在原子核周围的壳层中，与另外两种重惰性气体氙（Xenon）和氡（Radon）相似。但随着原子序数的增加，爱因斯坦的狭义相对论所扮演的角色也变得越来越重要，因为内壳层电子会高速地移动，以避免“落入”原子核中。当我们将相对论效应考虑进计算中时，就会发现这一元素有多奇怪。
○ 经典物理学（上）的模拟预测显示Og的电子（绿）存在于核周围的不同壳层中，与其他两种重惰性气体氡和氙类似。但爱因斯坦的狭义相对论（下）的模拟预测表明，Og的电子排列在一个模糊不清的区域内，与氡和氙不同。 （电子不太可能出现在蓝色或红色区域。）| 图片来源：P. JERABEK ET AL/PRL 2018
在最新的一项研究中，来自新西兰奥克兰梅西大学的 Paul Jerabek 和他的同事首次使用费米子定位来解读Og的内部结构，这是一种用来显示电子和核子的空间分布的常用方法（费米子定位是基于找到两个相同类型的粒子彼此靠近的概率。Jerabek 等人利用费米子定位生成了两个结构图：一个用于电子系统，一个用于原子核系统）。他们发现Og内的电子和核子都具有均匀分布的特性，这与在氙和氡中看到的非均匀壳结构形成鲜明对比。
这就表明了Og具有与其他惰性气体元素非常不同的化学和物理特性。
2. 获得反应
Og属于惰性气体组，一般来说惰性气体不与其他元素发生反应。但由于电子分布的特别方式，使得Og是唯一既爱释放电子又爱吸收电子的惰性元素。造成的结果可能就是Og的化学性质非常活跃。
3. 坚若磐石？
特殊的电子结构，也让Og元素的原子会粘在一起，而不像普通气体原子那样相互碰撞反射。科学家认为，在室温下，Og原子或可凝聚成固体，这与其他惰性气体不同。
4.冒个泡儿
由于有着相同的电荷，在原子核内的质子会相互排斥，但强核力使得它们能被紧紧地束缚在一起。可Og的质子数高达118，这或许能帮助质子克服这种力量，从而在原子核中心形成一个含有少量质子的“气泡“。实验已经证明，“气泡核”可在一种不稳定形式的硅中找到。
5.中子的分布
与预计中存在于Og原子核的不同壳层中的质子不同的是，Og元素的中子应该是混合的。这与其他重元素的表现并不一致，一般来说中子的分布会呈轮廓分明的环状。
Og元素的理论预测带来了许多令人惊讶的结果。 接下来我们需要做的是通过实验来检验这些预测。俄罗斯的杜布纳联合原子核研究所正筹备在今年下半年启用并运行一个Og实验室，一旦能够创造超重元素的设施得以建成，科学家就能一一检验对Og元素作出的诸多奇异预测了。
参考链接：
[1] E. R. Scerri, The Periodic Table: Its Story and Its Significance (Oxford University Press, New York, 2007)
[3] P. Jerabek, B. Schuetrumpf, P. Schwerdtfeger, and W. Nazarewicz, “Electron and Nucleon Localization Functions of Oganesson: Approaching the Thomas-Fermi Limit,” Phys. Rev. Lett. 120, 053001 (2018).
发表于 2018-5-13 03:07
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