Наверное, начинать статью со стандартной подводки из серии, что таблица Менделеева - это "самая лучшая в мире таблица" не имеет никакого смысла. Давайте лучше сразу перейдём к сути проблемы и уделим больше внимания интересной физике.

Сразу приглашу вас посмотреть моё видео по этой теме. В ролике содержится много полезных дополнений и материал так будет восприниматься значительно легче.

Не станет новостью, что в таблице Менделеева отражены все известные нам сегодня элементы. Она упорядочивает их по атомному номеру и химическим свойствам, создавая некоторый удобный атлас. Но как быть с неизвестными элементами? И сколько их вообще может быть? И могут ли они быть? Как много вопросов и как мало ответов.

Попробуем обратиться к самой таблице. Предположим, что метеорит принёс на Землю новые химические элементы. По всей логике они должны появиться или до первого элемента в таблице (что неизбежно подводит нас к элементу номер 0 или эфиру) или после самого последнего.

И тут ребром встаёт вопрос этого самого последнего элемента в таблице, который должен во многом определить не только границы понимания нами устройства атома, но и обозначит точное количество "сформированных возможных веществ". Вопрос граничит с осознанием самой природы атома и потенциальной возможностью сформировать несуществующие раньше варианты атомов, которые пока ещё отсутствуют в периодическом законе.

Кстати, глубоко в теории мы можем полагать, что новые элементы окажутся между существующими, но мы не будем рассматривать серьезно эту версию, поскольку она подразумевает переход к заведомо гипотетическим подходам, которые не нашли никакого реального подтверждения.

В итоге единственный "научный" способ для нас увеличивать количество элементов в таблице - добавлять новые после самого крайнего. А какой из них станет тогда последним?

Что же, надеюсь вы помните про связь расположения элементов в таблице и состав атомного ядра каждого из них. Это не случайное положение, а чёткий механизм.

Чем дальше от начала таблицы, тем больше нуклонов (протонов и нейтронов) будет содержаться в ядре атома. Мы подходим к тому ограничению, про которое и следует поговорить.

Начинается самое интересное - большие атомные ядра нестабильны. В какой-то момент протоны просто не смогут соединяться друг с другом и удерживаться рядышком. Это связано со спецификой работы внутриядерных сил и где-то тут нам и нужно искать границы таблицы Менделеева. Но давайте начнём с основ.

История расширения таблицы

Изначально таблица, созданная Дмитрием Ивановичем Менделеевым в 1869 году, включала лишь около 63 известных элементов. Менделеев предсказал существование новых элементов и оставил пустые места для них. С тех пор таблица только росла. Открывались новые элементы с увеличением атомного номера росло количество протонов и нейтронов внутри них.

Сегодня официально признано 118 элементов, а последним в списке отмечен Оганесон (Og, Z=118), синтезированным в 2002–2006 годах. Впрочем, я не совсем согласен с тем, что подобные элементы стоит включать в таблицу, поскольку они демонстрируют скорее удачные комбинации, нежели полноценные атомы. Иными словами от таких элементов нет прямой пользы и их существование показывает лишь, что мы правильно понимаем модель взаимодействия частиц. Нуклоны и правда могут соединяться так.

Вряд ли вас удивит и то, что атомы состоят из протонов, нейтронов и электронов. Они не просто так набросаны внутри атома, а упорядочены некоторым образом и соединены друг с другом некоторыми силами.

Внутри ядра работают две интересных силы - одна притягивает нуклоны друг к другу и связывает их сильным взаимодействием, а другая отталкивает их и обусловлена Кулоновским отталкиванием.

Сильное взаимодействие передаётся частицами-посредниками, которые подразумевают наличие у них массы (тут всё очень сложно и для полноценного понимания нужна отдельная статья, но сказать про массу не будет ошибкой). Потому они не могут передаваться соседям на большие расстояния и вся сила этого взаимодействия сконцентрирована в центре ядра атома. Частица-переносчик просто неспособна отлететь настолько далеко от самого ядра. Потому и на иллюстрациях сильное взаимодействие часто обозначают, исходящим от центра ядра атома. Это напоминает логику гравитации объекта сложной формы, где её тоже рисуют от центра сложного объекта.

Напротив, электростатическое или кулоновское взаимодействие, которое отвечает за отталкивание нуклонов друг от друга, передаётся на большие и даже огромные расстояния. Частица-посредник, которая отвечает за существование этой силы, не имеет массы и является фотоном. Она может отлетать чрезвычайно далеко (по меркам атома и сильного взаимодействия) от центра ядра.

Обе этих силы обладают классическим свойством суперпозиции и могут суммироваться. И на выходе мы имеем интересную ситуацию, которая напрямую следует из описанных особенностей.

Внутри ядра атома силы, которые отвечают за соединение нуклонов друг с другом, действуют на меньшие расстояния, чем силы, которые отвечают за их отталкивание.

Следовательно, с увеличением числа протонов в ядре (нейтроны пока опустим) возрастает электростатическое отталкивание между положительными зарядами, которое пытается разорвать ядро. С другой стороны, сильное ядерное взаимодействие удерживает ядро вместе, но оно действует лишь на очень коротких расстояниях.

Когда атомный номер становится очень большим (Z > 100), ядро становится крайне нестабильным. Такие элементы живут доли секунды, прежде чем распасться на более лёгкие и стабильные варианты.

По сути мы имеем картину, при которой граница существования атома в таблице Менделеева описывается точкой пересечения сферы действия отталкивания и притяжения.

Но если бы мы остановились на этом, то было бы не так интересно. Ведь учёные для чего-то пытаются нащупать новые элементы после Оганесона? А логика тут есть.

Остров стабильности и гипотезы

Ученые полагают, что где-то в области атомных номеров 120–126 может существовать так называемый остров стабильности — группа гипотетических элементов, у которых особые сочетания протонов и нейтронов обеспечивают сравнительно долгую жизнь. Теоретически такие ядра могут жить секунды, минуты и даже часы — что для сверхтяжёлых элементов уже «вечность».

Такой подход обусловлен оболочечной моделью ядра атома. Она подразумевает, что не только электроны имеют свои орбитали, а и само ядро работает также. Протоны и нейтроны расположены внутри ядра на некоторых энергетических уровнях. Пока эти уровни не заполнены протонами, атом демонстрирует ожидаемые свойства.

Если вдруг окажется, что эти оболочки полностью заполняются, то сильное взаимодействие получает некоторый "бонус" и способно интенсивнее работать. Так более тяжелые атомы из большего количества протонов могут оказаться более стабильны, чем менее тяжелые, несмотря на рост влияния отталкивания.

Кстати, оболочечная модель ядра получила прямое экспериментальное подтверждение, особенно через стабильность ядер (магические числа), спектры возбуждения, спины и магнитные моменты. Однако это подтверждение не абсолютное — модель работает как приближение, а полная картина ядра сложнее, с коллективными эффектами и корреляциями между нуклонами. Было бы неплохо проверить это посредством островов стабильности.

Однако синтез таких элементов крайне сложен: требуется ускорять тяжёлые ионы и сталкивать их с другими ядрами с невероятной точностью. Каждый эксперимент - это попытка создать вещество, которое сможет существовать чуть дольше мгновенной вспышки.

Так что определяет теоретический предел таблицы?

Так как же нам тогда ответить на поставленный вопрос? Как всегда всё не так однозначно. На данный момент существует несколько подходов к оценке завершения таблицы:

• Энергетические ограничения ядра

Когда число протонов превышает ~126, электростатическое отталкивание станет сильнее, чем сила, удерживающая ядро. Ядро распадётся мгновенно. Не получится создать даже те элементы, что сопоставимы по времени жизни со вспышкой света. Логику мы детально разобрали выше.

• Релятивистские эффекты

Сверхтяжёлые элементы проявляют эффекты квантовой механики: орбитали электронов становятся сильно релятивистскими, химические свойства необычны и непредсказуемы. В физике «релятивистский» значит, что скорость частицы становится достаточно большой, чтобы эффекты теории относительности Эйнштейна уже нельзя было игнорировать. И пусть мы уже много раз говорили, что нет никакого вращения электронов вокруг ядра, но есть постоянное движение всех частиц. Иными словами, рано или поздно просто должна перестать существовать та модель атома, которую мы считаем научной. И не только из-за того, что ядро развалится.

• Математические модели

Релятивистские эффекты в атоме проявляются из-за того, что внутренние электроны движутся с большими скоростями под сильным притяжением ядра, и их масса и поведение изменяются по законам специальной теории относительности. Это приводит к сжатию s-орбиталей, расширению внешних p, d, f-орбиталей, спин-орбитальному расщеплению уровней и изменению химических свойств, что хорошо наблюдается для тяжёлых элементов вроде золота и ртути, а точные расчёты на основе уравнения Дирака показывают, что при Z ≈ 172 внутренние электроны практически «слипаются» с ядром, делая невозможным существование привычных электронных оболочек, и таким образом накладывают теоретический предел на существование стабильных атомов.

Получается, что конец таблицы Менделеева, скорее всего, находится между Z=170 и Z=180, хотя синтезировать элементы в этой области пока невозможно и проверить всё это тоже.

По традиции, буду рад пригласить вас к себе в Telegram!