第8周期元素

**第 8 週期元素**指的是擴展元素週期表中第 8 週期中 50 個假想化學元素中的任何一個。它們根據 IUPAC 元素系統命名法命名。這些元素都仍未被發現或合成，它們的同位素可能都太不穩定，近期都不一定會有重要性。有可能由於滴線不穩定性，只有較前的第 8 週期元素能夠存在，而週期表可能會在穩定島後的 Ubh（原子序 126）處終結。

如果能夠製造足夠的這些元素並能研究它們的化學特性，其屬性可能和先前週期的元素截然不同。這是因為其電子組態可能因量子效應和相對論性效應而改變。由於 5g、6f、7d 軌域的能階彼此十分接近，使得它們可以互相交換電子。這會導致一系列的超錒系元素擁有非常相近的化學屬性，並和前面的週期中的元素毫不相關。

## 歷史

目前的元素週期表中的週期有 7 個，止於原子序 118。如果原子序更高的元素被發現，它們會排在表中的新一週期，表現其特性的週期性，就如之前的元素組態。任何新的週期都預測會比第 7 週期擁有更多的元素，因為根據計算將會出現額外的 g 區塊，其中各週期包括 18 個有部分填充的 g - 殼層的元素。格倫・西奧多・西博格在 1969 年提出包含此區塊的第 8 元素週期。此區域中沒有一個元素被成功合成或在自然中發現。西博格的擴展週期版本有這些延續週期趨勢的較重元素，但同時其他的模型卻沒有。例如，Pekka Pyykkö 利用電腦模擬直到 _Z_ = 172 的元素位置，並發現某一些元素不根據構造原理組態。

## 元素

第 8 週期分為五個區塊，其中第一個便是 g - 區塊。然而自旋 - 軌道耦合效應大大降低了高原子序元素的軌道近似的準確性。

### 構造原理模型

該模型在電子組態永遠根據構造原理的前提下成立，但這並不完全正確。相對論性效應可能導致當中某些元素在以下的元素週期表中位置有所變動。

#### s - 區塊元素

第 8 週期 s - 區塊元素的原子序為 119 和 120。合成 Uue 和 Ubn 元素所需條件為，靈敏度要達到飛靶恩量級，在目前連最先進的設施都不能及。

##### 合成嘗試

Uue 的合成曾由位於加州伯克利的 superHILAC 加速器在 1985 年嘗試過，以鈣 - 48 離子撞擊鑀 - 254 目標。結果沒有發現原子，有限產量為 300 nb。

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

這項反應並不會有作用，因為鑀 - 254 極為罕見，製造足夠的份量十分困難，太小的撞擊目標使實驗無法達到所需的敏感度。

在 2007 年 3 月至 4 月，Ubn 的合成在杜布納的 Flerov 核反應實驗室進行嘗試，以鐵 - 58 離子撞擊鈽 - 244 目標。初步分析並沒有發現任何元素 120 的原子，限制產量為 400 fb。

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

該俄羅斯團隊正計劃在重新嘗試反應前升級其設施。

在 2007 年 4 月，位於重離子研究所的團隊嘗試利用鈾 - 238 和鎳 - 64 創造 Ubn：

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

在 1.6 pb 的限制下沒有探測到原子。重離子研究所用更高的敏感度重復了實驗，在 2007 年 4 月至 5 月、2008 年 1 月至 3 月及 2008 年 9 月至 10 月分別進行了三次嘗試。所有嘗試均沒有產生原子，截面限制為 90 fb。

#### g - 區塊元素

第 8 週期是第一個包括 g - 區塊的週期，該區塊由元素 121 開始，但 5g 殼層的填充在何處終結則不清。這些元素屬於超錒系元素，擁有部分填充的 5g 和 6f 殼層，因此好像錒系元素一樣有不同的化學特性。然而，5g 和 6f 殼層的接近，加上這兩殼層與 7d 和 8p 殼層間的小間隔，可以產生一系列元素，擁有和它們在週期表中的位置不相關的屬性。

這些元素只能在假想的穩定島附近才能被探測到。它們的穩定性取決於穩定島的位置。如果穩定島位於低原子序元素，大部分超錒系元素就會太不穩定，不能被探測到；但如果穩定島位於高原子序元素，則較前的超錒系元素就有探測到的可能。

##### 合成嘗試及宣稱的發現

週期表中這個區域中有嘗試合成過的元素只有元素 122、124 和 126。

合成 Ubb 的首次嘗試於 1972 年在聯合核研究所進行，所用熱核融合反應為：

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

沒有探測到任何原子。目前的結果（見鈇）顯示，該實驗的敏感度低了至少 6 個量級。

在 2000 年，重離子研究所用更高的敏感度進行了相似的實驗：

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

這些結果表明重元素的的合成仍然是一件非常大的困難，並需要更高的離子束強度和實驗效率。敏感度要提高到 1 fb。

Flerov 核反應實驗室在 2000 年至 2004 年期間曾進行過多次實驗，研究複核 306Ubb 的裂變屬性。實驗使用了兩項核反應：248Cm+58Fe 及 242Pu+64Ni。結果揭示了這種原子核進行裂變是主要通過排出閉合殼層核子，如 132Sn (Z=50, N=82)。

於 2008 年 4 月 24 日，以 Amnon Marinov 為首的位於耶路撒冷希伯來大學的團隊聲稱在天然釷沈積物中發現了單個 Ubb 原子，存量相對於釷為 10−11 到 10−12 之間。Marinov 等人的發現被一部分科學界批評，Marinov 則稱他已把論文提交到《自然》和《自然物理學》，但都在提交到同行評審前被退回了。

他們此前利用相同的方法金性質譜分析後識別較輕的釷同位素，而對此方法的批判在 2008 年發表在《物理評論 C》中。之後 Marinov 的團隊再於《物理評論 C》中發表了一份駁辭。

利用更優越的加速器質譜法再次進行對釷沈積物的分析實驗後，並未能證實先前的結論，儘管敏感度提高了 100 倍。該結果使 Marinov 有關半衰期特別長的釷、錀及 Ubb 同位素的研究成果的可信度大大降低。

在一系列的實驗中，國家大型重離子加速器嘗試量度 Fl（114）、Ubn（120）及 Ubq（124）複核的直接和延遲核分裂，以研究這個區域的殼層效應，並尋找下一個球體質子殼層。在 2006 年，團隊提供了以下反應的結果，並發佈於 2008 年：

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

該團隊表示探測到 Ubq 複核的裂變，半衰期大於 10−18 s。雖然非常的短，但能夠量度到這樣的衰變表示在 Z=124 處有強的殼層效應。類似的現象也出現在 Z=120，但沒出現在 Z=114。

Bimbot 等人於 1971 年首次嘗試了合成 Ubh，利用以下的熱核融合反應：

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

反應中探測到高能 α 粒子，並能作為成功合成 Ubh 的可能證據。近期的研究指出這不大可能，因為根據目前的理解，1971 年所進行的實驗敏感度比所需的低了幾個能級。至今沒有其他實驗嘗試合成 Ubh。

該區域中的所有其它元素及更高的元素都沒有經過嘗試合成的實驗。

##### Feynmanium

元素 137（Uts）有時被稱為 **feynmanium**（符號為 Fy），因為理察・費曼曾提出，對相對論性狄拉克方程的簡單理解在 _Z_ > 1/α = 137 時會發生問題，表示 Uts 以後的元素不能以中性原子的形式存在，並且以電子組態排列的元素週期表會在此崩潰。然而，更嚴密的分析表明這個極限位於 _Z_ ≈ 173。

玻爾模型在原子序超過 137 時會發生困難，因為 1s 電子軌道中電子的速度 _v_ 為：

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

當中 _Z_ 為原子序，_α_ 為精細結構常數（對電磁交互作用強度的測量）。根據這個近似值，所有原子序大於 137 的元素中 1s 電子的速度都會超越 _c_，即光速。因此非相對論性的玻爾模型在此應用在超重元素時明顯不正確。

相對論性狄拉克方程也在 _Z_ > 137 時發生問題，因為基態能為

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

當中 _m_ 為電子的靜止質量。當 _Z_ > 137，狄拉克基態的波函數是波動的而非束縛的，且正負能量譜之間沒有空隔，如克萊因悖論所言。

考慮到核子有限大小的效應並且更準確的計算指出，結合能在 _Z_ > _Z_cr ≈ 173 處首先超過 2_mc_2。當 _Z_ > _Z_cr，如果最內部的軌道沒有電子，則原子核的電場會從真空當中產生出一顆電子，導致自發放射出一顆正子。

#### f - 區塊元素

這些元素的電子雲的相對論性及量子力學效應預計甚至要比 g - 區塊元素的更強，因為這些元素有更高的原子序。如果它們能夠被觀察到，則它們有可能擁有相似的化學特性，但 5g 和 6f 殼層（可能還有 7d 和 8p 殼層）之間距離相近的影響難以估計，這是由於較強的相對論性及量子力學效應。這些軌道之間能量的相近，可能導致電子同時填充這些軌道，產生一些列相似的元素，氧化態難以互相區分。根據電子組態的元素週期性就可能不再成立了。

這些原子的存在在理論上是可能的，因為有著光速的限制，原子序的上限為 _Z_ = 173。之後再指定電子殼層便失去意義，元素也只能以離子形式存在。然而科技可能永遠也不足以合成它們。

#### d - 區塊及 p - 區塊元素

雖然根據之前的週期性，元素 153 會成為最後一個超錒系元素，但是由於電子雲中極強的相對論性及量子力學效應，d - 區塊和 p - 區塊的電子組態只會是數學推斷的。如果最終它們的化學特性能被研究，那麼很可能無法以任何現有的分類去描述它們。由於 5g、6f、7d 和 8p 軌道的接近及其他的相對論性效應，在這區域的元素週期性將會瓦解，因此這些元素的特性和在週期表中的排位在一般情況下的重要性不大。

### Pyykkö 模型

Pekka Pyykkö 預測軌道殼層的填充次序如下：

* 8s（119-120）
* 5g（121-138）
* 8p 的首兩個位置（139-140）
* 6f（141-154）
* 7d（155-164）
* 9s（165-166）
* 9p 的首兩個位置（167-168）
* 8p 的其餘位置（169~172）。

他也指出第 8 週期可分為三部分：

* 8a，包括 8s
* 8b，包括 8p 的首兩個元素
* 8c，包括 7d 和 8p 的其餘位置。

## 特性

### 化學特性

原子序如此高的時候，元素的週期性可能不再繼續成立，其實在第 7 週期末便開始瓦解。例如，2007 年進行的化學研究表示，鈇擁有的屬性和從鉛推算的有所不同，並似乎是第一個有惰性氣體屬性的超重元素，這是由於相對論性效應。

### 物理及原子特性

#### 同位素

#### 電子組態

Leonard I. Schiff 預測了第 8 週期元素的電子組態。化學族信息純粹是根據元素週期性的，但週期性很可能在如此重的元素崩潰。Fricke 也根據狄拉克－福克計算預測了這些元素的電子組態。兩項預測十分不同。

　
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## 參見

* 擴展元素週期表
* 第 9 週期元素
* 未發現元素列表

## 備註

## 參考資料