第8周期元素

第8周期元素指的是扩展元素周期表中第8周期中50个假想化学元素中的任何一个。它们根据IUPAC元素系统命名法命名。这些元素都仍未被发现或合成，^{[note 1]}它们的同位素可能都太不稳定，近期都不一定会有重要性。由于滴线不稳定性，可能只有较前的第8周期元素能够存在，而周期表可能会在稳定岛后的Ubh（原子序126）处终结。^[1]

如果能够制造足够的这些元素并能研究它们的化学特性，其属性可能和先前周期的元素截然不同。这是因为其电子排布可能因量子效应和相对论性效应而改变。由于5g、6f、7d轨道的能级彼此十分接近，使得它们可以互相交换电子。这会导致一系列的超锕系元素拥有非常相近的化学属性，并和前面的周期中的元素毫不相关。

历史[编辑]

目前的元素周期表中的周期有7个，止于原子序118。如果原子序更高的元素被发现，它们会排在表中的新一周期，表现其特性的周期性，就如之前的元素排布。任何新的周期都预测会比第7周期拥有更多的元素，因为根据计算将会出现额外的g区块，其中各周期包括18个有部分填充的g-壳层的元素。格伦·西奥多·西博格在1969年提出包含此区块的第8元素周期。^[2]^[3]此区域中没有一个元素被成功合成或在自然中发现。^{[note 2]}西博格的扩展周期版本有这些延续周期趋势的较重元素，但同时其他的模型却没有。例如，Pekka Pyykkö利用电脑模拟直到Z = 172的元素位置，并发现某一些元素不根据构造原理排布。^[5]

元素[编辑]

第8周期分为五个区块，其中第一个便是g-区块。然而自旋-轨道耦合效应大大降低了高原子序元素的轨道近似的准确性。^[5]

元素周期表区块

s区块

p区块

d区块

f区块

g区块

（未发现的元素以较浅颜色显示）

构造原理模型[编辑]

该模型在电子排布永远根据构造原理的前提下成立，但这并不完全正确。^{[note 3]}相对论性效应可能导致当中某些元素在以下的元素周期表中位置有所变动。^[5]^[6]^[8]^[9]

8

119
Uue

120
Ubn

121
Ubu

122
Ubb

123
Ubt

124
Ubq

125
Ubp

126
Ubh

127
Ubs

128
Ubo

129
Ube

130
Utn

131
Utu

132
Utb

133
Utt

134
Utq

135
Utp

136
Uth

137
Uts

138
Uto

139
Ute

140
Uqn

141
Uqu

142
Uqb

143
Uqt

144
Uqq

145
Uqp

146
Uqh

147
Uqs

148
Uqo

149
Uqe

150
Upn

151
Upu

152
Upb

153
Upt

154
Upq

155
Upp

156
Uph

157
Ups

158
Upo

159
Upe

160
Uhn

161
Uhu

162
Uhb

163
Uht

164
Uhq

s-区块

g-区块

p-区块

f-区块

d-区块

s-区块元素[编辑]

第8周期s-区块元素的原子序为119和120。合成Uue和Ubn元素所需条件为，灵敏度要达到飞靶恩量级，在目前连最先进的设施都不能及。

合成尝试[编辑]

Uue的合成曾由位于加州伯克利的superHILAC加速器在1985年尝试过，以钙-48离子撞击锿-254目标。结果没有发现原子，有限产量为300 nb。^[10]

\,_{99}^{254}\mathrm {Es} +\,_{20}^{48}\mathrm {Ca} \to \,_{119}^{302}\mathrm {Uue} ^{*}\to \mathrm {no\ atoms}

这项反应并不会有作用，因为锿-254极为罕见，制造足够的分量十分困难，太小的撞击目标使实验无法达到所需的敏感度。

在2007年3月至4月，Ubn的合成在杜布纳的Flerov核反应实验室进行尝试，以铁-58离子撞击钚-244目标。^[11]初步分析并没有发现任何元素120的原子，限制产量为400 fb。^[12]

\,_{94}^{244}\mathrm {Pu} +\,_{26}^{58}\mathrm {Fe} \to \,_{120}^{302}\mathrm {Ubn} ^{*}\to \mathrm {fission\ only}

该俄罗斯团队正计划在重新尝试反应前升级其设施。

在2007年4月，位于重离子研究所的团队尝试利用铀-238和镍-64创造Ubn：

\,_{92}^{238}\mathrm {U} +\,_{28}^{64}\mathrm {Ni} \to \,_{120}^{302}\mathrm {Ubn} ^{*}\to \mathrm {fission\ only}

在1.6 pb的限制下没有探测到原子。重离子研究所用更高的敏感度重复了实验，在2007年4月至5月、2008年1月至3月及2008年9月至10月分别进行了三次尝试。所有尝试均没有产生原子，截面限制为90 fb。

g-区块元素[编辑]

第8周期是第一个包括g-区块的周期，该区块由元素121开始，但5g壳层的填充在何处终结则不清。这些元素属于超锕系元素，拥有部分填充的5g和6f壳层，因此好像锕系元素一样有不同的化学特性。然而，5g和6f壳层的接近，加上这两壳层与7d和8p壳层间的小间隔，可以产生一系列元素，拥有和它们在周期表中的位置不相关的属性。^[1]

这些元素只能在假想的稳定岛附近才能被探测到。它们的稳定性取决于稳定岛的位置。如果稳定岛位于低原子序元素，大部分超锕系元素就会太不稳定，不能被探测到；但如果稳定岛位于高原子序元素，则较前的超锕系元素就有被探测到的可能。

合成尝试及宣称的发现[编辑]

周期表中这个区域中有尝试合成过的元素只有元素122、124和126。

合成Ubb的首次尝试于1972年在联合核研究所进行，所用热核聚变反应为：

\,_{92}^{238}\mathrm {U} +\,_{30}^{66}\mathrm {Zn} \to \,_{122}^{304}\mathrm {Ubb} ^{*}\to \mathrm {no\ atoms} .

没有探测到任何原子。目前的结果（见𫓧）显示，该实验的敏感度低了至少6个量级。

在2000年，重离子研究所用更高的敏感度进行了相似的实验：

\,_{92}^{238}\mathrm {U} +\,_{30}^{70}\mathrm {Zn} \to \,_{122}^{308}\mathrm {Ubb} ^{*}\to \mathrm {no\ atoms} .

这些结果表明重元素的合成仍然是一件非常大的困难，并需要更高的离子束强度和实验效率。敏感度要提高到1 fb。

Flerov核反应实验室在2000年至2004年期间曾进行过多次实验，研究复核³⁰⁶Ubb的裂变属性。实验使用了两项核反应：²⁴⁸Cm+⁵⁸Fe及²⁴²Pu+⁶⁴Ni。结果揭示了这种原子核进行裂变是主要通过排出闭合壳层核子，如¹³²Sn (Z=50, N=82)。

于2008年4月24日，以Amnon Marinov为首的位于耶路撒冷希伯来大学的团队声称在天然钍沉积物中发现了单个Ubb原子，存量相对于钍为10⁻¹¹到10⁻¹²之间。^[13]Marinov等人的发现被一部分科学界批评，Marinov则称他已把论文提交到《自然》和《自然物理学》，但都在提交到同行评审前被退回了。^[4]

他们此前利用相同的方法金性质谱分析后识别较轻的钍同位素，^[14]^[15]而对此方法的批判在2008年发表在《物理评论C》中。^[16]之后Marinov的团队再于《物理评论C》中发表了一份驳辞。^[17]

利用更优越的加速器质谱法再次进行对钍沉积物的分析实验后，并未能证实先前的结论，尽管敏感度提高了100倍。^[18]该结果使Marinov有关半衰期特别长的钍、^[14]^[15]𬬭^[19]及Ubb同位素的研究成果的可信度大大降低。^[13]

在一系列的实验中，国家大型重离子加速器尝试量度Fl（114）、Ubn（120）及Ubq（124）复核的直接和延迟核裂变，以研究这个区域的壳层效应，并寻找下一个球体质子壳层。在2006年，团队提供了以下反应的结果，并发布于2008年：

\,_{92}^{238}\mathrm {U} +\,_{32}^{nat}\mathrm {Ge} \to \,^{308,310,311,312,314}\mathrm {Ubq} ^{*}\to \mathrm {fission} .

该团队表示探测到Ubq复核的裂变，半衰期大于10⁻¹⁸ s。虽然非常的短，但能够量度到这样的衰变表示在Z=124处有强的壳层效应。类似的现象也出现在Z=120，但没出现在Z=114。^[20]

Bimbot等人于1971年首次尝试了合成Ubh，利用以下的热核聚变反应：

\,_{90}^{232}\mathrm {Th} +\,_{36}^{84}\mathrm {Kr} \to \,_{126}^{316}\mathrm {Ubh} ^{*}\to \mathrm {no\ atoms}

反应中探测到高能α粒子，并能作为成功合成Ubh的可能证据。近期的研究指出这不大可能，因为根据目前的理解，1971年所进行的实验敏感度比所需的低了几个能级。至今没有其他实验尝试合成Ubh。

该区域中的所有其它元素及更高的元素都没有经过尝试合成的实验。

Feynmanium[编辑]

元素137（Uts）有时被称为feynmanium（符号为Fy），因为理查德·费曼曾提出，^[21]对相对论性狄拉克方程的简单理解在Z > 1/α = 137时会发生问题，表示Uts以后的元素不能以中性原子的形式存在，并且以电子排布排列的元素周期表会在此崩溃。然而，更严密的分析表明这个极限位于Z ≈ 173。^{[note 4]}

玻尔模型在原子序超过137时会发生困难，因为1s电子轨道中电子的速度v为：

v=Z\alpha c\approx {\frac {Zc}{137.036}}

当中Z为原子序，α为精细结构常数（对电磁交互作用强度的测量）。^[22]根据这个近似值，所有原子序大于137的元素中1s电子的速度都会超越c，即光速。因此非相对论性的玻尔模型在此应用在超重元素时明显不正确。

相对论性狄拉克方程也在Z > 137时发生问题，因为基态能为

E=mc^{2}{\sqrt {1-Z^{2}\alpha ^{2}}}

当中m为电子的静止质量。当Z > 137，狄拉克基态的波函数是波动的而非束缚的，且正负能量谱之间没有空隔，如克莱因悖论所言。^[23]

考虑到核子有限大小的效应并且更准确的计算指出，结合能在Z > Z_cr ≈ 173处首先超过2mc²。当Z > Z_cr，如果最内部的轨道没有电子，则原子核的电场会从真空当中产生出一颗电子，导致自发放射出一颗正子。^[24]

f-区块元素[编辑]

这些元素的电子云的相对论性及量子力学效应预计甚至要比g-区块元素的更强，因为这些元素有更高的原子序。如果它们能够被观察到，则它们有可能拥有相似的化学特性，但5g和6f壳层（可能还有7d和8p壳层）之间距离相近的影响难以估计，这是由于较强的相对论性及量子力学效应。这些轨道之间能量的相近，可能导致电子同时填充这些轨道，产生一些列相似的元素，氧化态难以互相区分。根据电子排布的元素周期性就可能不再成立了。^[1]

这些原子的存在在理论上是可能的，因为有着光速的限制，原子序的上限为Z = 173。^[25]之后再指定电子壳层便失去意义，元素也只能以离子形式存在。然而科技可能永远也不足以合成它们。^[2]

d-区块及p-区块元素[编辑]

虽然根据之前的周期性，元素153会成为最后一个超锕系元素，但是由于电子云中极强的相对论性及量子力学效应，d-区块和p-区块的电子排布只会是数学推断的。如果最终它们的化学特性能被研究，那么很可能无法以任何现有的分类去描述它们。由于5g、6f、7d和8p轨道的接近及其他的相对论性效应，在这区域的元素周期性将会瓦解，因此这些元素的特性和在周期表中的排位在一般情况下的重要性不大。^[1]

Pyykkö模型[编辑]

Pekka Pyykkö预测轨道壳层的填充次序如下：

8s（119-120）
5g（121-138）
8p的首两个位置（139-140）
6f（141-154）
7d（155-164）
9s（165-166）
9p的首两个位置（167-168）
8p的其余位置（169~172）。^[6]

他也指出第8周期可分为三部分：

8a，包括8s
8b，包括8p的首两个元素
8c，包括7d和8p的其余位置。^[6]

元素周期表区块

s-区块

p-区块

d-区块

f-区块

g-区块

（未发现的元素以较浅颜色显示）

Pyykkö模型。位置变动过的元素以粗体显示。

8

119
Uue

120
Ubn

121
Ubu

122
Ubb

123
Ubt

124
Ubq

125
Ubp

126
Ubh

127
Ubs

128
Ubo

129
Ube

130
Utn

131
Utu

132
Utb

133
Utt

134
Utq

135
Utp

136
Uth

137
Uts

138
Uto

141
Uqu

142
Uqb

143
Uqt

144
Uqq

145
Uqp

146
Uqh

147
Uqs

148
Uqo

149
Uqe

150
Upn

151
Upu

152
Upb

153
Upt

154
Upq

155
Upp

156
Uph

157
Ups

158
Upo

159
Upe

160
Uhn

161
Uhu

162
Uhb

163
Uht

164
Uhq

139
Ute

140
Uqn

169
Uhe

170
Usn

171
Usu

172
Usb

9

165
Uhp

166
Uhh

167
Uhs

168
Uho

s-区块

g-区块

f-区块

d-区块

p-区块

特性[编辑]

化学特性[编辑]

原子序如此高的时候，元素的周期性可能不再继续成立，其实在第7周期末便开始瓦解。例如，2007年进行的化学研究表示，𫓧拥有的属性和从铅推算的有所不同，并似乎是第一个有稀有气体属性的超重元素，这是由于相对论性效应。^[26]

物理及原子特性[编辑]

同位素[编辑]

电子排布[编辑]

Leonard I. Schiff预测了第8周期元素的电子排布。^[27]化学族信息纯粹是根据元素周期性的，但周期性很可能在如此重的元素崩溃。^[1]^[26]Fricke也根据狄拉克－福克计算预测了这些元素的电子排布。^[28]两项预测十分不同。 ^[8] ^[9] ^[29]

化学元素			族	电子排布 (根据Fricke) [Uuo] = [Rn] 5f¹⁴ 6d¹⁰ 7s² 7p⁶^[29]^[8]^[9]
119	Uue	Ununennium	碱金属	[Uuo] 8s¹
120	Ubn	Unbinilium	碱土金属	[Uuo] 8s²
121	Ubu	Unbiunium	超锕系元素	[Uuo] 8s² 8p1 1/2
122	Ubb	Unbibium	超锕系元素	[Uuo] 7d¹ 8s² 8p1 1/2
123	Ubt	Unbitrium	超锕系元素	[Uuo] 6f¹ 7d¹ 8s² 8p1 1/2
124	Ubq	Unbiquadium	超锕系元素	[Uuo] 6f³ 8s² 8p1 1/2
125	Ubp	Unbipentium	超锕系元素	[Uuo] 5g¹ 6f³ 8s² 8p1 1/2
126	Ubh	Unbihexium	超锕系元素	[Uuo] 5g² 6f² 7d¹ 8s² 8p1 1/2
127	Ubs	Unbiseptium	超锕系元素	[Uuo] 5g³ 6f² 8s² 8p2 1/2
128	Ubo	Unbioctium	超锕系元素	[Uuo] 5g⁴ 6f² 8s² 8p2 1/2
129	Ube	Unbiennium	超锕系元素	[Uuo] 5g⁵ 6f² 8s² 8p2 1/2
130	Utn	Untrinilium	超锕系元素	[Uuo] 5g⁶ 6f² 8s² 8p2 1/2
131	Utu	Untriunium	超锕系元素	[Uuo] 5g⁷ 6f² 8s² 8p2 1/2
132	Utb	Untribium	超锕系元素	[Uuo] 5g⁸ 6f² 8s² 8p2 1/2
133	Utt	Untritrium	超锕系元素	[Uuo] 5g⁸ 6f³ 8s² 8p2 1/2
134	Utq	Untriquadium	超锕系元素	[Uuo] 5g⁸ 6f⁴ 8s² 8p2 1/2
135	Utp	Untripentium	超锕系元素	[Uuo] 5g⁹ 6f⁴ 8s² 8p2 1/2
136	Uth	Untrihexium	超锕系元素	[Uuo] 5g¹⁰ 6f⁴ 8s² 8p2 1/2
137	Uts	Untriseptium	超锕系元素	[Uuo] 5g¹¹ 6f³ 7d¹ 8s² 8p2 1/2
138	Uto	Untrioctium	超锕系元素	[Uuo] 5g¹² 6f³ 7d¹ 8s² 8p2 1/2
139	Ute	Untriennium	超锕系元素	[Uuo] 5g¹³ 6f² 7d² 8s² 8p2 1/2
140	Uqn	Unquadnilium	超锕系元素	[Uuo] 5g¹⁴ 6f³ 7d¹ 8s² 8p2 1/2
141	Uqu	Unquadunium	超锕系元素	[Uuo] 5g¹⁵ 6f² 7d² 8s² 8p2 1/2
142	Uqb	Unquadbium	超锕系元素	[Uuo] 5g¹⁶ 6f² 7d² 8s² 8p2 1/2
143	Uqt	Unquadtrium	超锕系元素	[Uuo] 5g¹⁷ 6f² 7d² 8s² 8p2 1/2
144	Uqq	Unquadquadium	超锕系元素	[Uuo] 5g¹⁸ 6f¹ 7d³ 8s² 8p2 1/2
145	Uqp	Unquadpentium	超锕系元素	[Uuo] 5g¹⁸ 6f³ 7d² 8s² 8p2 1/2
146	Uqh	Unquadhexium	超锕系元素	[Uuo] 5g¹⁸ 6f⁴ 7d² 8s² 8p2 1/2
147	Uqs	Unquadseptium	超锕系元素	[Uuo] 5g¹⁸ 6f⁵ 7d² 8s² 8p2 1/2
148	Uqo	Unquadoctium	超锕系元素	[Uuo] 5g¹⁸ 6f⁶ 7d² 8s² 8p2 1/2
149	Uqe	Unquadennium	超锕系元素	[Uuo] 5g¹⁸ 6f⁶ 7d³ 8s² 8p2 1/2
150	Upn	Unpentnilium	超锕系元素	[Uuo] 5g¹⁸ 6f⁶ 7d⁴ 8s² 8p2 1/2
151	Upu	Unpentunium	超锕系元素	[Uuo] 5g¹⁸ 6f⁸ 7d³ 8s² 8p2 1/2
152	Upb	Unpentbium	超锕系元素	[Uuo] 5g¹⁸ 6f⁹ 7d³ 8s² 8p2 1/2
153	Upt	Unpenttrium	超锕系元素	[Uuo] 5g¹⁸ 6f¹¹ 7d² 8s² 8p2 1/2
154	Upq	Unpentquadium	超锕系元素	[Uuo] 5g¹⁸ 6f¹² 7d² 8s² 8p2 1/2
155	Upp	Unpentpentium	超锕系元素	[Uuo] 5g¹⁸ 6f¹³ 7d² 8s² 8p2 1/2
156	Uph	Unpenthexium	过渡金属	[Uuo] 5g¹⁸ 6f¹⁴ 7d² 8s² 8p2 1/2
157	Ups	Unpentseptium	过渡金属	[Uuo] 5g¹⁸ 6f¹⁴ 7d³ 8s² 8p2 1/2
158	Upo	Unpentoctium	过渡金属	[Uuo] 5g¹⁸ 6f¹⁴ 7d⁴ 8s² 8p2 1/2
159	Upe	Unpentennium	过渡金属	[Uuo] 5g¹⁸ 6f¹⁴ 7d⁴ 8s² 8p2 1/2 9s¹
160	Uhn	Unhexnilium	过渡金属	[Uuo] 5g¹⁸ 6f¹⁴ 7d⁵ 8s² 8p2 1/2 9s¹
161	Uhu	Unhexunium	过渡金属	[Uuo] 5g¹⁸ 6f¹⁴ 7d⁶ 8s² 8p2 1/2 9s¹
162	Uhb	Unhexbium	过渡金属	[Uuo] 5g¹⁸ 6f¹⁴ 7d⁸ 8s² 8p2 1/2
163	Uht	Unhextrium	过渡金属	[Uuo] 5g¹⁸ 6f¹⁴ 7d⁹ 8s² 8p2 1/2
164	Uhq	Unhexquadium	过渡金属	[Uuo] 5g¹⁸ 6f¹⁴ 7d¹⁰ 8s² 8p2 1/2

参见[编辑]

备注[编辑]

^ 目前已合成的最重的元素为Og，原子序为118，是第7周期元素中的最后一个。
^ 122号元素在2008年4月声称被发现，但该发现被广泛认为是错误的。^[4]
^ 譬如，Ubu可能真的刚好有一颗g-壳层价电子，但是也有可能有更多或甚至一颗都没有。^[6]^[7]
^ 参见扩展元素周期表。

参考资料[编辑]

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[1] 目前已合成的最重的元素为Og，原子序为118，是第7周期元素中的最后一个。

[natural-122-6] 122号元素在2008年4月声称被发现，但该发现被广泛认为是错误的。^[4]

[1-10] 譬如，Ubu可能真的刚好有一颗g-壳层价电子，但是也有可能有更多或甚至一颗都没有。^[6]^[7]

[25] 参见扩展元素周期表。

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