DS930810のブログ

筆者は自然や自然現象に関心が相当あるので自然に関する記事(天文, 地理, 生物)を書いていきたいと思います。かつては1日2記事を適当な時間に投稿していましたが今のところは午後6時に1記事投稿する形にしています。

元素の限界は? ある数値以上となると電子が光速を超える!?

今回は元素の限界について書いて行きたいと思う。

元素は現在発見されているもので118種も存在し、最も大きい元素は当然原子番号118番である。

実は原子番号118の元素は天然には存在しない元素であり、原子番号の大きい原子は安定しないために崩壊をする。

崩壊をしたら陽子数が変化するのでもはや別の原子となり、その原子として存在はできなくなる。

そして、原子番号がある数値を超えるととある理由で、原子自体が存在できなくなり、今回はこのことについて順を追って書いて行きたいと思う。

 

1. 原子番号83~118

安定同位体が存在する元素は原子番号82番の鉛までであり、原子番号が83のビスマス以降は安定同位体が存在しない元素だけであるがビスマス209は半減期が異常に長いために実質安定同位体として見なせるために安定同位体が存在しない元素は84のポロニウム意向であるとも考えられる。

そして、原子番号86番のラドンまでは第6族に属している元素であり、原子番号87番から118番までの元素は次の第7族に属している。

第7族の元素は言うまでも無く全てが放射性元素であり、7s軌道に関わる87番のフランシウム, 88番のラジウム, 89~103番までが5f軌道に関わるアクチニド, 104番から112番までが6d軌道に関わる遷移金属(112番の͡͡コペルニシウムは典型元素と言う説もある), そして113番から118番までが7p軌道に関わる典型元素となっている。

これらの元素は非常に不安定であり、長い寿命を持たない上に天然に存在するものもかなり少ないために目にする機会もなく、仮に目にしたりすると放射線によって非常に危険な状況となる。

第7族で最も有名な元素は原子番号92番のウランであり、ウランはアクチニドに属する金属で原子力発電の主力になっている。

けれども最近原子力発電にあまり良いイメージが無くなっているためにウランに対しての風当たりも悪くなっている。

 

このように第7族ともなると原子核が重くなりすぎて大変不安定となっているために放射線元素だけとなっており、放射線元素は第6族あたりからも出始めている(一応原子番号43番のテクネチウム, 61番のプロメチウムも放射性同位体しかないが)。

ちなみに第7族の名称は

87. Fr(フランシウム) 88. Ra(ラジウム) 89. Ac(アクチニウム) 90. Th(トリウム)

91. Pa(プロトアクチニウム) 92. U(ウラン) 93. Np(ネプツニウム) 

94. Pu(プルトニウム) 95. Am(アメリシウム) 96. Cm(キュリウム)

97. Bk(バークリウム) 98. Cf(カリホルニウム) 99.Es(アインスタイニウム)

100. Fm(フェルミウム) 101. Md(メンデレビウム) 102.No(ノーベリウム)

103. Lr(ローレンシウム) 104.Rf(ラザホーニウム) 105. Db(ドブニウム)

106. Sg(シーボーギウム) 107. Bh(ボーリウム) 108. Hs(ハッシウム)

109. Mt(マイトネリウム) 110. Ds(ダームスタチウム) 111. Rg(レントゲニウム)

112. Cn(コペルニシウム) 113. Nh(ニホニウム) 114. Fl(フレロビウム)

115. Mc(モスコビウム) 116. Lv(リバモリウム) 117. Ts(テネシン)

118. Og(オガネソン)

となっている。

 

では、現在まだ合成されていない第8族ともなると...

 

 

 

2. 第8族

第8族は原子番号119~168番までが属するが実は原子番号168番は存在しないと考えられている。

そして、原子番号168はおろか原子番号138番以降は存在することが出来ないとされており、存在する原子は137番までと言う説が有力である。

その理由については少し置いといて第8族について少し書いて行きたいと思う。

第8族の原子の最大の特徴として挙げられることはg軌道を有することである。

第7族の原子はs, p, d, f軌道までしか有さなかったが第8族以降の原子はg軌道と言う新たな軌道を有することとになり、このため周期表はさらに広がることになる。

 

第1族はs軌道しか使わないので2種しかなく、第2, 3族はs軌道に加えてp軌道も使うので8種に増え、第4, 5族はd軌道も加わるため遷移金属枠が加わり18種にも及び、第6, 7族は更にf軌道も加わるためランタニド, アクチニドの枠が加わり32種にも及ぶ。

そして、第8族元素はg軌道による枠が加わるため更に18種の元素(121~138番)がランタニドやアクチニド枠の前に書かれるであろう。

ちなみに加わる電子軌道は8s, 5g, 6f, 7d, 8pの順に増えていき、初めにg軌道から埋まっていく。

 

けれども実際にはそのようにはならず、g軌道に電子が埋まっていく途中で電子の速度のほうに限界が来てしまい、原子番号が138を超えた時点で最も内側にいる電子が原子核に引き寄せられるのである。

その理由は原子番号137番になると最も内側に存在する1s電子の速度が限りなく光速に近くなり、138番を超えると光速を超えない限り電子が原子核に衝突し、原子番号が逆に小さくなるためである。

つまり、原子番号が大きくなると原子核の陽子数が増えすぎ(=静電気力が強くなる)、最も内側にいる電子は軌道速度を速めないと原子核に衝突することとなる。

そして、光速だと137番までしか逃れることが出来ないために138番以降の原子は存在できないこととなる。

 

このように原子核自体は138番以降も非常に短い期間限定ではあるものの存在することは可能であるが電子の速度に限界が来るために原子を構成することは不可能となる。

 

ちなみに余談ではあるがウルトラマンで有名であるスペシウムは原子番号133番の設定であるため一応原子としては非常に短命ではあるものの存在することは可能である。

元素記号で書くとSpだろうか?

 

 

以上元素の限界についてでした。