💡 вопрос, страница 48 - гдз по химии 7 класс учебник Еремин, Дроздов

Глава 1. От атома до вещества. §7. Структура Периодической системы. Вопросы по тексту - страница 48.

Условие.

Есть ли границы у Периодической системы?

Решение.

Решение 2.

Да, у Периодической системы существуют границы, как "нижняя", так и "верхняя". Эти границы обусловлены фундаментальными законами физики.

Нижняя граница

Нижняя граница Периодической системы четко определена. Она начинается с элемента с атомным номером $Z=1$ — водорода. Атомный номер ($Z$) соответствует количеству протонов в ядре атома. Элемент с $Z=0$ не может существовать, так как у него не было бы протонов в ядре, а значит, он не мог бы удерживать электроны и формировать атом в химическом смысле. Частица, состоящая только из нейтронов (нейтроний), не является химическим элементом. Таким образом, водород является первым и самым легким элементом, и элементов "легче" или "проще" него не существует.

Ответ: Нижней границей является водород ($Z=1$).

Верхняя граница

Вопрос о верхней границе гораздо сложнее и до сих пор является предметом научных исследований. Теоретически, таблица не может продолжаться бесконечно. Существует несколько факторов, ограничивающих количество возможных элементов.

1. Ядерная нестабильность. С ростом числа протонов ($Z$) в ядре резко возрастает сила электростатического отталкивания между ними. Чтобы компенсировать это отталкивание, требуется все большее количество нейтронов. Однако для сверхтяжелых элементов даже оптимальное соотношение протонов и нейтронов не может обеспечить стабильность ядра. Такие ядра становятся чрезвычайно нестабильными и быстро распадаются (чаще всего через альфа-распад или спонтанное деление). Период полураспада синтезированных на сегодняшний день элементов с $Z > 110$ измеряется миллисекундами или даже микросекундами. Например, самый тяжелый из известных элементов, Оганесон ($Z=118$), имеет период полураспада самого стабильного изотопа менее одной миллисекунды. Это делает их синтез и изучение крайне сложной задачей.

2. "Остров стабильности". Несмотря на общую тенденцию к нестабильности, теория предсказывает существование так называемого "острова стабильности". Это область в таблице сверхтяжелых элементов, где ядра с определенными "магическими" числами протонов и нейтронов (например, $Z=114$ или $Z=126$ и $N=184$) должны обладать значительно большим временем жизни (от секунд до, возможно, тысяч лет) по сравнению с соседними элементами. Поиски элементов на этом острове являются одной из главных задач современной ядерной физики.

3. Релятивистский предел (Предел Фейнмана-Дирака). Существует и более фундаментальный, теоретический предел. По мере увеличения заряда ядра $Z$, электроны на самой низкой, 1s-орбитали, притягиваются к нему все сильнее и начинают двигаться со скоростями, близкими к скорости света. Согласно упрощенной модели Бора, при $Z > 137$ скорость электрона должна была бы превысить скорость света, что невозможно. Более точный расчет, основанный на релятивистской квантовой механике (уравнение Дирака), показывает, что при заряде ядра $Z_{cr} \approx 173$ (с учетом конечного размера ядра) энергия связи 1s-электрона становится настолько большой, что сравнима с энергией, необходимой для рождения электрон-позитронной пары из вакуума. При таком заряде ядра пустое пространство вокруг него стало бы нестабильным и начало бы "искрить", спонтанно порождая пары частиц. Электрон из пары был бы захвачен ядром, а позитрон (антиэлектрон) был бы испущен. Это означает, что атом в привычном нам виде с электронной оболочкой существовать не смог бы. Такой гипотетический элемент самопроизвольно бы разряжался.

Таким образом, хотя практический предел определяется возможностями синтеза и крайне малым временем жизни сверхтяжелых элементов, существует и теоретическая граница, за которой законы физики предсказывают невозможность существования атома как стабильной системы ядра и электронов.

Ответ: Верхняя граница Периодической системы существует. Практически она ограничена крайней нестабильностью ядер сверхтяжелых элементов. Теоретически существование атомов становится невозможным при атомном номере $Z$ около 173 из-за релятивистских эффектов и нестабильности самого вакуума в сверхсильном электрическом поле ядра.