元素周期表之外:超重元素和超密度小行星

诸平

Graph showing the densities of all elements from Z=1 to 100, with the heavy metals labelled with red triangles. The red triangle at the top right is osmium (Z=76), the element with the highest experimentally measured mass density. Credit: LaForge, et al.

据斯普林格（Springer）的克莱尔· 桑塞姆（Clare Sansom）2023年10月10日提供的消息，元素周期表之外:超重元素和超密度小行星（Beyond the periodic table: Superheavy elements and ultradense asteroids）。

据测量，一些小行星(asteroids)的密度比地球上已知存在的任何元素的密度都要高。这表明它们至少部分是由传统物理学无法研究的未知类型的“超密集”物质（"ultradense" matter）组成的。

美国图森市亚利桑那大学物理系（Department of Physics, The University of Arizona, Tucson, U.S.）的简·拉菲尔斯基（Jan Rafelski）和他的团队认为，这可能是由原子序数(Z)高于当前元素周期表限制的超重元素组成的。

他们使用原子结构的托马斯-费米模型（Thomas-Fermi model）对这些元素的性质进行了建模，特别集中在Z=164附近提出的“核稳定岛”（ "island of nuclear stability"）上，并进一步扩展了他们的方法，包括更多奇特类型的超致密材料（ultra-dense material）。这项研究于2023年9月15日已经在《欧洲物理杂志》（The European Physical Journal Plus）网站发表——Evan LaForge, Will Price, Johann Rafelski. Superheavy elements and ultradense matter. The European Physical Journal Plus, 2023, 138, Article number: 812. DOI: 10.1140/epjp/s13360-023-04454-8. Published: 15 September 2023. https://link.springer.com/article/10.1140/epjp/s13360-023-04454-8

超重元素被定义为质子数非常高(原子序数很高)的元素，一般认为是Z>104的元素。他们可以分为两组。那些原子序数Z=105~118之间的原子是通过实验制造出来的，但它们具有放射性，不稳定，半衰期很短，因此只引起学术和研究的兴趣。

Z>118的元素还没有被观测到，但是已经预测了其中一些元素的性质。特别地，“核稳定岛”被预测在Z=164左右。一般来说，元素的密度会随着原子质量的增加而增加，所以这些超重元素( superheavy elements)的密度会非常大。

密度最大的稳定元素是稀有的铂系金属锇(Os, Z=76);它的密度为22.59 g/cm³，大约是铅的两倍。通常，密度高于此的天体被认为是“致密超密度物体”("compact ultradense objects")简称CUDOs。

已知的最极端的例子是名为33波吕许漠尼亚（33 Polyhymnia）的小行星，它位于火星（Mars）和木星（Jupiter）之间的地带;据计算，它的密度约为75 g /cm³。简·拉菲尔斯基提出，波吕许漠尼亚（Polyhymnia）和类似的天体可能由Z=118以上的元素组成，可能还有其他类型的超致密物质。

简·拉菲尔斯基和他的两个学生同事，埃文·拉弗吉（Evan LaForge）和威尔·普赖斯（Will Price）开始用相对论的托马斯-费米原子模型计算超重元素的微观原子结构和性质。

简·拉菲尔斯基解释说“我们选择了这个模型，尽管它相对不精确，因为它允许系统地探索原子行为作为已知元素周期表之外原子序数的函数。进一步的考虑是，它还使我们能够在埃文·拉弗吉的短时间内探索许多原子，埃文·拉弗吉是我们优秀的本科生。”

研究人员的计算证实了他们的预测，即原子核中约有164个质子的原子可能是稳定的，并且进一步表明，Z=164的稳定元素的密度在36.0~68.4 g/cm³之间:这一范围接近小行星波吕许漠尼亚（Polyhymnia）的期望值。

由于他们的模型使用原子核中的电荷分布作为输入之一，它可以扩展到模拟更多的奇异物质，包括α物质（alpha matter）:一种完全由孤立的氦核(α粒子)组成的凝析物（condensate）。

一些小行星可能由地球上未知的物质组成，这一想法进一步激励了潜在的“太空矿工”（"space miners"），他们正计划开采包括黄金在内的贵金属（precious metals），这些贵金属预计将靠近其他小行星的表面。

简·拉菲尔斯基总结道:“所有的超重元素，包括那些高度不稳定的元素，以及那些无法被观测到的元素，都被归为‘难得素’（‘unobtainium’）。其中一些可能足够稳定，可以从我们的太阳系中获得，这一想法令人兴奋。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Synthesizing new superheavy elements to open up the eighth period of the periodic table

Abstract

In order to characterize the mass density of superheavy elements, we solve numerically the relativistic Thomas–Fermi model of an atom. To obtain a range of mass densities for superheavy matter, this model is supplemented with an estimation of the number of electrons shared between individual atoms. Based on our computation, we expect that elements in the island of nuclear stability around  (Z = 164) will populate a mass density range of 36.0–68.4 g/cm³). We then extend our method to the study of macroscopic alpha particle nuclear matter condensate drops.