¿Es Feynmanium el último elemento químico que puede existir físicamente? ¿Cuáles son las consecuencias químicas de tener un elemento con un número atómico superior a 137, cuyos electrones 1s deben viajar más rápido que la velocidad de la luz?

Answer 1

De Wikipedia:

Richard Feynman observó que una interpretación simplista de la ecuación relativista de Dirac tiene problemas con los orbitales de electrones en Z > 1 / α ≈ 137 …

La razón principal por la que 137 no es el número atómico más alto posible está en esa palabra: “simplista”. La conjetura de Feynmann se basó en lo que era esencialmente una versión ligeramente modificada del modelo atómico de Bohr, que ahora sabemos que es inexacta. Además, la predicción no tuvo en cuenta los efectos cuánticos, que son extremadamente importantes en el nivel atómico.

Cuando se considera la electrodinámica cuántica y una interpretación completa de la relatividad, parece que no hay un límite superior establecido para la masa de un núcleo atómico, aunque las cosas empiezan a ponerse raras alrededor de N = 173 o menos.

Tenga en cuenta que incluso estos cálculos no tienen en cuenta las fuerzas nucleares fuertes y débiles (sobre todo porque una descripción matemática completa de estas dos fuerzas sigue siendo un problema increíblemente difícil de crear). Dado que estas fuerzas son quizás las más importantes cuando se considera la física atómica, es probable que tal solución (si alguna vez encontramos una) nos obligue a reconsiderar completamente estos dos cálculos.

TL; DR: 137 se basa en un modelo atómico simplificado. La electrodinámica cuántica predice efectos extraños a N = 173 +, pero no a tapa dura. La incapacidad de comprender completamente las fuerzas nucleares fuertes y débiles probablemente nos obligará a recompensar todo esto en el futuro.

Edición: Algunas personas han pedido ejemplos de los efectos “extraños” en N> 173. Si bien no puedo responder a esto en su totalidad porque “… Aún no se conocen los detalles precisos de lo que sucede con los átomos en N> 173”, hay algunos ejemplos específicos de propiedades extrañas de átomos tan grandes. Uno de los más grandes es que, para N> 173, la energía de enlace del núcleo excedería el nivel crítico [math] 2M_e * c ^ 2 [/ math] (donde [math] M_e [/ math] es la masa de el electrón). Tal átomo sería incapaz de existir establemente como plasma. Si se eliminara de todos sus electrones, uno se generaría espontáneamente en la subshell 1s, junto con un positrón (si la energía de enlace es mayor que [math] 4M_e * c ^ 2 [/ math], dos de estos electrón-positrón Se generarían pares). La subshell 1s ya no existiría como un estado estacionario, más bien, sería una resonancia en constante deterioro en un continuo de energía más bajo (en otras palabras, el vacío se cargaría alrededor de la subshell 1s).

Answer 2

Feynman estaba redondeando un poco. 137 fue elegido como un poco de broma y un poco porque la constante de la estructura fina está cerca de 137. Los límites de la ecuación de Dirac no se pudieron determinar en ese grado en el momento debido a las limitaciones computacionales. Desde entonces, los cálculos han desplazado el límite superior para los orbitales 1s estables (no oscilantes) a una carga nuclear de 173. Sin embargo, si el umbral es 137 o 173, una vez que lo cruces, los orbitales 1s ya no pueden sostener electrones de manera estable.

Las cosas se ponen un poco extrañas después de ese punto. Si los orbitales 1s se modelan como que permanecen llenos, los electrones tienen energía negativa. Lo cual está técnicamente permitido pero plantea muchos problemas. No menos importante es que si el orbital pierde un electrón, succiona un par electrón-positrón directamente de la energía del vacío y escupe el positrón para volver a la forma en que estaba.

Sin embargo, esto no nos impide crear muestras * no neutrales * de esos elementos. Nos disparamos protones el uno al otro todo el tiempo utilizando colisionadores y los núcleos resultantes son elementos tanto si tienen electrones orbitándolos como si no. Puede llamar núcleos de helio a las partículas beta sin ser corregido, aunque rara vez es útil pensar en ellas en esos términos. Ha habido varios experimentos que intentan crear más de 173 núcleos, pero aún no hay resultados.

Answer 3

Como lo entiendo, no hay límite para la cantidad de protones en el núcleo. Los límites prácticos se producen debido a que el tiempo de desaparición es muy pequeño, ya que cualquier cosa con un número atómico de alrededor de 105 o superior existe antes de que se desintegre.

Los electrones tampoco son puntos, o bolas, como pensamos clásicamente en ellos. Existen en una nube de probabilidad, por lo que su velocidad no es fácilmente medible. Asumiría que las estadísticas de una nube de este tipo evitan cualquier rotura de la barrera de la luz y, por lo tanto, no ponen un límite a qué tan grande puede llegar a ser un átomo, al menos en términos de la velocidad de los electrones en órbita.

Por favor corrígeme si estoy equivocado.

Gracias