Personne ne le sait vraiment. En utilisant le modèle naïf de Bohr de l'atome, nous avons des problèmes autour de $ Z = 137 $ car les électrons les plus profonds devraient se déplacer au-dessus de la vitesse de la lumière. Ce résultat est dû au fait que le modèle de Bohr ne prend pas en compte la relativité. En résolvant l'équation de Dirac, qui provient de la mécanique quantique relativiste, et en tenant compte du fait que le noyau n'est pas une particule ponctuelle, il ne semble pas y avoir de réel problème avec des nombres atomiques arbitrairement élevés, bien que des effets inhabituels commencent à se produire au-dessus de $ Z \ approx 173 $. Ces résultats peuvent être renversés par une analyse encore plus approfondie de la théorie actuelle de l'électrodynamique quantique, ou par une toute nouvelle théorie.

Pour autant que nous sachions, cependant, nous ne nous rapprocherons jamais de ces nombres atomiques. Les éléments très lourds sont extrêmement instables en ce qui concerne la désintégration radioactive en éléments plus légers. Notre méthode actuelle de production d'éléments super-lourds est basée sur l'accélération d'un certain isotope d'un élément relativement léger et la frappe d'une cible constituée d'un isotope d'un élément beaucoup plus lourd. Ce processus est extrêmement inefficace et il faut plusieurs mois pour produire des quantités importantes de matériau. Pour les éléments les plus lourds, il faut des années pour détecter ne serait-ce qu'une poignée d'atomes. La très courte durée de vie des cibles les plus lourdes et la très faible efficacité de collision entre le projectile et la cible signifient qu'il sera extrêmement difficile d'aller beaucoup plus loin que les 118 éléments actuels. Il est possible que nous trouvions des isotopes superlourds un peu plus stables dans les îles de stabilité autour de $ Z = 114 $ et $ Z = 126 $, mais les isotopes les plus stables prédits (qui, même dans ce cas, ne devraient pas durer plus de quelques minutes ) ont une si grande quantité de neutrons dans leurs noyaux que nous ne savons pas comment les produire; nous pouvons être condamnés à contourner simplement les rives des îles de stabilité, sans jamais les escalader.

EDIT : Notez que le meilleur calcul présenté ci-dessus est basé uniquement sur l'électrodynamique quantique, c'est-à-dire que seules les forces électromagnétiques sont prises en compte. Évidemment, pour prédire le comportement des noyaux (et donc combien de protons vous pouvez insérer dans un noyau avant qu'il ne soit impossible d'aller plus loin), il faut une connaissance détaillée des forces nucléaires fortes et faibles. Malheureusement, la description mathématique des forces nucléaires est encore un problème incroyablement difficile en physique aujourd'hui, donc personne ne peut espérer fournir une réponse rigoureuse sous cet angle.

Il doit y avoir quelques limites, car les forces nucléaires résiduelles sont très courtes. À un moment donné, il y aura tellement de protons et de neutrons dans le noyau (et le noyau résultant sera devenu si grand) que les parties diamétralement opposées du noyau ne pourront pas se "détecter" les unes les autres, car elles sont trop loin un moyen. Chaque proton ou neutron supplémentaire produit une stabilisation plus faible via la force nucléaire forte. Pendant ce temps, la répulsion électrique entre les protons a une portée infinie, de sorte que chaque proton supplémentaire contribuera de manière répulsive tout de même. C'est pourquoi les éléments plus lourds ont besoin de rapports neutrons / protons de plus en plus élevés pour rester stables.

Ainsi, à un certain nombre atomique, peut-être pas beaucoup plus élevé que notre record actuel de $ Z = 118 $, la répulsion électrique des protons l'emportera toujours contre les fortes attractions nucléaires des protons et des neutrons, quelle que soit la configuration du noyau. Par conséquent, tous les noyaux atomiques suffisamment lourds subiront spontanément une fission presque immédiatement après leur apparition, ou toutes les voies de réaction valides pour atteindre un élément nécessiteront des événements qui sont si incroyablement improbables que même si tous les nucléons de tout l'univers observable étaient entrés en collision les uns avec les autres depuis le Big Bang dans une tentative de synthétiser l'élément le plus lourd possible, nous nous attendrions statistiquement à ce qu'un atome suffisamment lourd n'ait pas été produit une seule fois.

Un "élément" doit être défini comme l'ensemble de tous les noyaux atomiques ayant un nombre spécifié de protons. Les définitions basées sur les électrons (ou d'autres leptons) ne peuvent pas être utilisées car le nombre d'électrons associés à un élément change avec l'environnement de l'atome.

Définition d'un "noyau atomique" comme un ensemble de protons et de neutrons, dans un puits de potentiel nucléaire commun, dont la durée de vie moyenne est importante par rapport au temps qu'il a fallu à l'ensemble pour se former. (Une interaction nucléaire se déroule sur un laps de temps de l'ordre de $ 1 \ times10 ^ {- 23} $ sec.)

Si vous ajoutez des neutrons à un noyau, chacun est plus faiblement lié que le dernier . Finalement, le dernier neutron ajouté est non lié, donc il ressort tout de suite. Habituellement, cela se produit dans un délai comparable à $ 1 \ times10 ^ {- 23} $ sec. Pour chaque nombre de protons, Z, il y a un nombre maximum de neutrons, appelez-le Nd, qui peuvent être dans un noyau avec des protons Z. L'ensemble des nucléides $ (Z, Nd) $ est une courbe sur un plan Z, N connu sous le nom de dripline de neutrons. Le dripline de neutrons définit la taille maximale qu'un noyau avec un nombre donné de protons peut avoir.

Si un noyau avec des protons Z a trop peu de neutrons, une des deux choses se produira. Il peut éjecter un proton ou se fissioner. Les gros noyaux se fissent presque invariablement, cependant, c'est donc le critère important. Le modèle le plus simple réalisable d'un noyau atomique est le "modèle de goutte de liquide". Comme ses charges tentent de le séparer, cependant, penser à un noyau comme un petit ballon très stressé donne une meilleure idée des forces en jeu. La répulsion électrique varie comme $ (Z ^ 2 / r_ {eff}) $ où reff est la distance entre des charges ponctuelles équivalentes. Ce qui rapproche le noyau est ce qui équivaut à une tension superficielle - cohésion nucléaire déséquilibrée - et l '"énergie de surface" totale stockée varie comme $ (r ^ 2) $, où r est le rayon nucléaire. Le rapport entre les énergies de Coulomb et de surface est défini par $ (Z ^ 2 / r_ {eff}) * (1 / r ^ 2) = K $. Définissez $ r_ {eff} = r $. Le volume nucléaire est proportionnel au nombre total de particules, $ A = Z + N $, dans une collection. Cela signifie que r varie comme $ A ^ {1/3} $, donc $ (Z ^ 2 / r ^ 3) = K = (Z ^ 2) / A $. K est appelé un "paramètre de fissilité". Une valeur donnée de K définit un ensemble de noyaux qui ont des barrières similaires de modèle de goutte de liquide contre la fission spontanée. Pour la valeur spécifiée de K, $ N (Z) = (1 / K) * (Z ^ 2) - Z $ définit une courbe de hauteur de barrière de fission constante sur le plan $ (Z, N) $. Une courbe particulière définit la ligne séparant les ensembles de nucléons pour lesquels une barrière de fission existe et les ensembles de nucléons qui n'en ont pas. En d'autres termes, il définit le nombre minimum de neutrons qu'un noyau de Z donné peut avoir.

Au moins un modèle nucléaire comprend des noyaux contenant jusqu'à 330 $ de neutrons et 175 $ de protons (1). Une équation du dripline de neutrons en fonction de Z peut être extraite de leur dripline. Une deuxième équation pour $ N / Z $ comme $ f (Z) $ peut être utilisée pour construire une autre courbe de dripline. Le dripline de neutrons de KUTY ne montre aucun changement dramatique en dessous de $ N = 330 $. Pourtant, lors de l'extrapolation dans l'inconnu, il semble prudent de considérer la limite supérieure du nombre de neutrons dans un noyau comme étant de l'ordre de 1/4 $ (1,77 $) fois plus grande.

La théorie de la goutte de liquide prédit fission immédiate pour $ K>50 $; cependant, le modèle de goutte de liquide ne tient pas compte de la liaison supplémentaire produite par la structure nucléaire. La valeur K maximale pour n'importe quel noyau dans le modèle KUTY peut être utilisée comme un guide de la taille de K pour surmonter ces corrections. Prendre cette valeur comme moyenne géométrique entre $ K = 50 $ et la valeur de K à utiliser donne $ K = 102 $. (C'était la plus haute des trois techniques essayées).

Pour les grands Z, la courbe de fission monte plus vite que la courbe de dripline. Le point auquel ils se rencontrent est le plus grand noyau possible. Tout ce qui est plus gros se désintègre immédiatement par émission de neutrons ou par fission. Nominalement, le plus grand noyau $ Z = 592 $, $ N = 2846 $ - mais c'est beaucoup trop de précision pour ce genre de calcul. Il est raisonnable de dire que le plus grand noyau possible a $ Z <600 $ et $ N < 3000 $.

Il est tout à fait possible que mes remarques soient complètement fausses. J'espère que oui, car cela voudrait dire que quelqu'un qui en sait plus que moi sur le sujet a trouvé une meilleure réponse.

1. "Modes de désintégration et limite d'existence des noyaux"; Hiroyuki Koura; http://tan11.jinr.ru/pdf/10_Sep/S_2/05_Koura.pdf

Naïvement, le champ électrique nucléaire à Z ~ 137 ou plus, réciproque de la constante de structure fine, «déclencherait le vide». Le vide serait déchiré en paires électron-positon. Les électrons entrent pour convertir les protons en neutrons plus les neutrinos. Comme indiqué ci-dessus, un traitement non classique suggère que nous ne nous approcherons jamais d'un noyau froid qui déclenche le vide. Le RHIC et le LHC déchirent le vide en entrant en collision avec des noyaux d'or ou de plomb profondément relativistes.

Le gros problème de la fabrication de nouveaux éléments lourds est de recevoir suffisamment de neutrons tout en entrant en collision le noyau le plus lourd avec le noyau le plus léger pour faire le travail. La répulsion des charges de fusion est le produit des deux charges. Il doit être minimisé. Le Ca-48 est stable pour une note de bas de page, et il a suivi son cours pour la fusion avec les transuraniens disponibles. Les isotopes produits sont bien trop déficients en neutrons pour rester. On peut faire quelque chose d'intelligent avec une grosse bombe H configurée sur mesure - beaucoup de compression et de densité de neutrons là-bas - mais la récupération d'échantillons est problématique.

La vraie chose est que nous ne savons PAS avec certitude. En acceptant la mécanique quantique, nous avons quelques éléments de réponse, mais nous ne pouvons pas connaître le reste tant que nous ne l'avons pas testé. Curieusement, plus Z est élevé, plus l'atome est relativiste. Donc, la mécanique quantique relativiste a de l'importance dans le tableau périodique.

Option 1. Quelque chose évite d'autoriser les éléments avec Z> 118. C'est peu probable. Pekka Pykko a fait des simulations jusqu'en 173 ...

Option 2. Le Z maximum se situe quelque part entre 122-173. La seule mise en garde est que Z = 137 est spécial car l'équation de Dirac implique que l'électron 1 a une vitesse supérieure à la lumière pour Z> 137 en raison de la valeur de la constante de structure fine. Cependant, ceci est fait en négligeant l'extension finie des noyaux. Donc, ici on se rend compte que le sort ultime de l'atome dépend de la stabilité des noyaux ...

Option 3. Les éléments sont stables jusqu'en 173, la physique nucléaire agit pour éviter les éléments supérieurs entre 137 et 173 ... C'est plus probable, mais personne ne le sait ...

Option 4. Les éléments sont autorisés en principe, même à Z supercritique ou plus jusqu'à ce que les noyaux ne puissent pas supporter plus de coquilles. Nous ne savons pas vraiment ce qui se passe ici en raison de simulations limitées. Peut-être que les ordinateurs quantiques peuvent nous aider ici (je l'espère) à simuler des éléments et des atomes dans ce domaine quantique.

Option 5. Il n'y a pas de limite sur Z. Je considère cette chose peu probable à moins que quelque chose ne soit découvert au-delà du tableau périodique quark-lepton actuel des particules fondamentales.

J'ai écrit sur le modèle Bohr sur mon blog et aussi sur le dernier élément. Ici: http://www.thespectrumofriemannium.com/2013/06/30/log113-bohrs-legacy-i/, http://www.thespectrumofriemannium.com/2013/07 / 10 / log114-bohrs-legacy-ii /, http://www.thespectrumofriemannium.com/2013/07/10/log115-bohrs-legacy-iii/, http://www.thespectrumofriemannium.com/2013/12/31/log150-bohr-and-doctor-who-amc%c2%b3/, http://www.thespectrumofriemannium.com / 2014/05/26 / log151-bohrlogy-i /, http://www.thespectrumofriemannium.com/2014/05/26/log152-bohrlogy-ii/, http://www.thespectrumofriemannium.com/2015/07/04/log171-from-bohrlogy-to-dualities/ et http://www.thespectrumofriemannium.com/2017/07/ 11 / log183-bohrlogy-some-pocket-formules /

Il est possible qu'ils puissent continuer à trouver de nouveaux éléments en utilisant des cyclotérons et en fusionnant des atomes ensemble jusqu'à ce qu'ils atteignent un trou noir. Je pense donc que la limite du nombre atomique peut être calculée par la singularité de la métrique de Kerr Newman. Mais en supposant un modèle de tableau périodique si un autre élément peut être trouvé, il en vient au moins 32 autres pour compléter une autre ligne du tableau périodique pour atteindre peut-être 150 numéro atomique.