扩展元素周期表

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目前的元素周期表中有七個周期,並以118號元素(Og)終結。如果有更高原子序數的元素被發現,則它將會被置於第八周期、甚至第九周期。這些額外的周期預期將會比第七周期容納更多的元素,因為經過計算新的g區將會出現,第八及第九週期將在32個元素的基礎上額外包含18個g區元素,各周期中均存在部分填滿的g原子軌域。這種擁有八個周期的元素表最初由格倫·西奧多·西博格于1969年提出。[1]

第八或以上周期的元素未曾被合成或于自然發現。(2008年4月,有人宣稱在自然界中發現122號元素Ubb,但該報告被廣泛認為是錯誤的。[2])g區内第一個元素的原子序數應該為121,根據IUPAC元素系統命名法命名為Unbiunium,符號Ubu。此區域内的元素很可能具有放射性,並且高度不穩定,半衰期極短。然而稳定岛理论預測位於126號元素Ubh附近的元素將處於穩定島内,不會有自發分裂,但會發生α衰變,且這些元素的部分同位素可能具有相對極長的半衰期。而穩定島之後還能存在多少物理上可能的元素至今仍沒有定論。

根據量子力學對於原子結構解釋的軌域近似法,g區會對應不完全填滿的g軌域。不過,自旋-軌道作用會削弱軌域近似法所得結果的正確性,這可能會發生在較大原子序的元素上。[a]

包括g區的元素周期表

包括g區的元素周期表有多個學著提出的多個模型,下面列出較知名的幾種,分別為格倫·西奧多·西博格模型(1969年)、布克哈德·弗里克模型(1973年)、Nefedov模型(2006年)和佩卡·皮寇模型(2010年)。

格倫·西奧多·西博格模型

1969年,格倫·西奧多·西博格根據構造原理提出了提出扩展元素周期表的概念:

格倫·西奧多·西博格模型
(超重元素不一定依下表的次序排列)
1 1
H
2
He
2 3
Li
4
Be
5
B
6
C
7
N
8
O
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Ne
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Na
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Ti
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121
Ubu
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Uhh
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Uho
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Uhe
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Usu
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Usb
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Ust
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Uou
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Uob
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Bnu
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Bno
209
Bne
210
Bun
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Buu
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Bub
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But
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Buq
215
Bup
216
Buh
217
Bus
218
Buo

元素分区

布克哈德·弗里克模型

1973年布克哈德·弗里克(Burkhard Fricke)使用相對論性Hartree-Fock-Slater程序計算提出了另一種扩展元素周期表[3]

布克哈德·弗里克模型[b]
(超重元素不一定依下表的次序排列)
1 1
H
2
He
2 3
Li
4
Be
5
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6
C
7
N
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9
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Ga
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Ge
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Br
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Og
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以上所有理論上存在但並未發現的元素均根據IUPAC元素系統命名法命名,而該名將會一直沿用直到這個元素被發現、證實,並被賦予正式名稱。

g區在元素周期表中的位置(位于f區的左邊、右邊或中間)仍然是不肯定的。上表所示的位置是建于構造原理在更高原子序的元素還成立的前提上,但這假設不一定正確。對於118號元素,軌域1s、2s、2p、3s、3p、3d、4s、4p、4d、4f、5s、5p、5d、5f、6s、6p、6d、7s及7p應會被佔據,其餘則為空。第八周期的元素軌域預測會以8s5g6f7d8p的順序填滿。然而,從大約122號元素開始,電子層間過於接近,使計算電子的位置時發生問題。例如,經過計算,165號及166號元素(如果存在)會佔據9s軌域,而把8p軌域留空。[4]

而布克哈德·弗里克模型的預測最高可以推廣到184號元素在週期表上的位置[5]

佩卡·皮寇模型

並非所有模型都按照較輕元素的趨勢排列超重元素。例如佩卡·皮寇英语Pekka Pyykkö利用電腦模型計算出原子序直到Z=172的元素的位置,並發現有若干元素不在構造原理預期的位置。5g區後,他的計算預測元素139及140會佔據8p軌域,元素141開始才再繼續佔據6f區。元素165至168可能在第9週期(9s和9p),之後的元素169至172再填滿8p軌域和整個第8週期。[4]

佩卡·皮寇模型不按構造原理排列的元素以粗體顯示。
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Nefedov模型

Nefedov在2006年也提出了一套模型[6]

Nefedov模型
7 87
Fr
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89
Ac
90
Th
91
Pa
92
U
93
Np
94
Pu
95
Am
96
Cm
97
Bk
98
Cf
99
Es
100
Fm
101
Md
102
No
103
Lr
104
Rf
105
Db
106
Sg
107
Bh
108
Hs
109
Mt
110
Ds
111
Rg
112
Cn
113
Nh
114
Fl
115
Mc
116
Lv
117
Ts
118
Og
8 119
Uue
120
Ubn
121
Ubu
122
Ubb
123
Ubt
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Ubq
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Ubh
127
Ubs
128
Ubo
129
Ube
130
Utn
131
Utu
132
Utb
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134
Utq
135
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Uth
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138
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Uqn
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Uqu
142
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143
Uqt
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Uqq
145
Uqp
146
Uqh
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148
Uqo
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150
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151
Upn
152
Upu
153
Upt
154
Upq
155
Upp
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Uph
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Ups
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Upo
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Upe
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Uhn
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Uhu
162
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Uht
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Uhq
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Uhp
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Uhh
167
Uhs
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169
Uhe
170
Usn
171
Usu
172
Usb

電子排佈

化學元素 預測電子排佈[7][8][9][10]
118 Og 稀有氣體 [Rn] 5f14 6d10 7s2 7p6
119 Uue Ununennium 鹼金屬 [Og] 8s1
120 Ubn Unbinilium 鹼土金屬 [Og] 8s2
121 Ubu Unbiunium 超錒系元素 [Og] 8s2 8p1
1/2
122 Ubb Unbibium 超錒系元素 [Og] 7d1 8s2 8p1
1/2
123 Ubt Unbitrium 超錒系元素 [Og] 6f2 8s2 8p1
1/2
124 Ubq Unbiquadium 超錒系元素 [Og] 6f3 8s2 8p1
1/2
125 Ubp Unbipentium 超錒系元素 [Og] 5g1 6f2 8s2 8p2
1/2
126 Ubh Unbihexium 超錒系元素 [Og] 5g2 6f3 8s2 8p1
1/2
127 Ubs Unbiseptium 超錒系元素 [Og] 5g3 6f2 8s2 8p2
1/2
128 Ubo Unbioctium 超錒系元素 [Og] 5g4 6f2 8s2 8p2
1/2
129 Ube Unbiennium 超錒系元素 [Og] 5g4 6f3 7d1 8s2 8p1
1/2
130 Utn Untrinilium 超錒系元素 [Og] 5g5 6f3 7d1 8s2 8p1
1/2
131 Utu Untriunium 超錒系元素 [Og] 5g6 6f3 8s2 8p2
1/2
132 Utb Untribium 超錒系元素 [Og] 5g7 6f3 8s2 8p2
1/2
133 Utt Untritrium 超錒系元素 [Og] 5g8 6f3 8s2 8p2
1/2
134 Utq Untriquadium 超錒系元素 [Og] 5g8 6f4 8s2 8p2
1/2
135 Utp Untripentium 超錒系元素 [Og] 5g9 6f4 8s2 8p2
1/2
136 Uth Untrihexium 超錒系元素 [Og] 5g10 6f4 8s2 8p2
1/2
137 Uts Untriseptium 超錒系元素 [Og] 5g11 6f4 8s2 8p2
1/2
138 Uto Untrioctium 超錒系元素 [Og] 5g12 6f3 7d1 8s2 8p2
1/2
139 Ute Untriennium 超錒系元素 [Og] 5g13 6f2 7d2 8s2 8p2
1/2
140 Uqn Unquadnilium 超錒系元素 [Og] 5g14 6f3 7d1 8s2 8p2
1/2
141 Uqu Unquadunium 超錒系元素 [Og] 5g15 6f2 7d2 8s2 8p2
1/2
142 Uqb Unquadbium 超錒系元素 [Og] 5g16 6f2 7d2 8s2 8p2
1/2
143 Uqt Unquadtrium 超錒系元素 [Og] 5g17 6f2 7d2 8s2 8p2
1/2
144 Uqq Unquadquadium 超錒系元素 [Og] 5g17 6f2 7d3 8s2 8p2
1/2
145 Uqp Unquadpentium 超錒系元素 [Og] 5g18 6f3 7d2 8s2 8p2
1/2
146 Uqh Unquadhexium 超錒系元素 [Og] 5g18 6f4 7d2 8s2 8p2
1/2
147 Uqs Unquadseptium 超錒系元素 [Og] 5g18 6f5 7d2 8s2 8p2
1/2
148 Uqo Unquadoctium 超錒系元素 [Og] 5g18 6f6 7d2 8s2 8p2
1/2
149 Uqe Unquadennium 超錒系元素 [Og] 5g18 6f6 7d3 8s2 8p2
1/2
150 Upn Unpentnilium 超錒系元素 [Og] 5g18 6f7 7d3 8s2 8p2
1/2
151 Upu Unpentunium 超錒系元素 [Og] 5g18 6f8 7d3 8s2 8p2
1/2
152 Upb Unpentbium 超錒系元素 [Og] 5g18 6f9 7d3 8s2 8p2
1/2
153 Upt Unpenttrium 超錒系元素 [Og] 5g18 6f10 7d3 8s2 8p2
1/2
154 Upq Unpentquadium 超錒系元素 [Og] 5g18 6f11 7d3 8s2 8p2
1/2
155 Upp Unpentpentium 超錒系元素 [Og] 5g18 6f12 7d3 8s2 8p2
1/2
156 Uph Unpenthexium 超錒系元素 [Og] 5g18 6f13 7d3 8s2 8p2
1/2
157 Ups Unpentseptium 超錒系元素 [Og] 5g18 6f14 7d3 8s2 8p2
1/2
158 Upo Unpentoctium 過渡金屬 [Og] 5g18 6f14 7d4 8s2 8p2
1/2
159 Upe Unpentennium 過渡金屬 [Og] 5g18 6f14 7d4 8s2 8p2
1/2
9s1
160 Uhn Unhexnilium 過渡金屬 [Og] 5g18 6f14 7d5 8s2 8p2
1/2
9s1
161 Uhu Unhexunium 過渡金屬 [Og] 5g18 6f14 7d6 8s2 8p2
1/2
9s1
162 Uhb Unhexbium 過渡金屬 [Og] 5g18 6f14 7d7 8s2 8p2
1/2
9s1
163 Uht Unhextrium 過渡金屬 [Og] 5g18 6f14 7d8 8s2 8p2
1/2
9s1
164 Uhq Unhexquadium 過渡金屬 [Og] 5g18 6f14 7d10 8s2 8p2
1/2
165 Uhp Unhexpentium 過渡金屬 [Og] 5g18 6f14 7d10 8s2 8p2
1/2
9s1
166 Uhh Unhexhexium 過渡金屬 [Og] 5g18 6f14 7d10 8s2 8p2
1/2
9s2
167 Uhs Unhexseptium 貧金屬 [Og] 5g18 6f14 7d10 8s2 8p2
1/2
9s2 9p1
1/2
168 Uho Unhexoctium 貧金屬 [Og] 5g18 6f14 7d10 8s2 8p2
1/2
9s2 9p2
1/2
169 Uhe Unhexennium 貧金屬 [Og] 5g18 6f14 7d10 8s2 8p2
1/2
8p1
3/2
9s2 9p2
1/2
170 Usn Unseptnilium 貧金屬 [Og] 5g18 6f14 7d10 8s2 8p2
1/2
8p2
3/2
9s2 9p2
1/2
171 Usu Unseptunium 鹵素 [Og] 5g18 6f14 7d10 8s2 8p2
1/2
8p3
3/2
9s2 9p2
1/2
172 Usb Unseptbium 稀有氣體 [Og] 5g18 6f14 7d10 8s2 8p2
1/2
8p4
3/2
9s2 9p2
1/2
173 Ust Unsepttrium 鹼金屬 [Usb] 6g1
184 Uoq Unoctquadium 超臨界原子[11][12] [Usb] 6g5 7f4 8d3[8][13]

Fricke模型

化學元素 預測電子排佈
(根據Fricke)
[Og] = [Rn] 5f14 6d10 7s2 7p6
[7][8][9]
119 Uue Ununennium 鹼金屬 [Og] 8s1
120 Ubn Unbinilium 鹼土金屬 [Og] 8s2
121 Ubu Unbiunium 超錒系元素 [Og] 8s2 8p1
1/2
122 Ubb Unbibium 超錒系元素 [Og] 7d1 8s2 8p1
1/2
123 Ubt Unbitrium 超錒系元素 [Og] 6f1 7d1 8s2 8p1
1/2
124 Ubq Unbiquadium 超錒系元素 [Og] 6f3 8s2 8p1
1/2
125 Ubp Unbipentium 超錒系元素 [Og] 5g1 6f3 8s2 8p1
1/2
126 Ubh Unbihexium 超錒系元素 [Og] 5g2 6f2 7d1 8s2 8p1
1/2
127 Ubs Unbiseptium 超錒系元素 [Og] 5g3 6f2 8s2 8p2
1/2
128 Ubo Unbioctium 超錒系元素 [Og] 5g4 6f2 8s2 8p2
1/2
129 Ube Unbiennium 超錒系元素 [Og] 5g5 6f2 8s2 8p2
1/2
130 Utn Untrinilium 超錒系元素 [Og] 5g6 6f2 8s2 8p2
1/2
131 Utu Untriunium 超錒系元素 [Og] 5g7 6f2 8s2 8p2
1/2
132 Utb Untribium 超錒系元素 [Og] 5g8 6f2 8s2 8p2
1/2
133 Utt Untritrium 超錒系元素 [Og] 5g8 6f3 8s2 8p2
1/2
134 Utq Untriquadium 超錒系元素 [Og] 5g8 6f4 8s2 8p2
1/2
135 Utp Untripentium 超錒系元素 [Og] 5g9 6f4 8s2 8p2
1/2
136 Uth Untrihexium 超錒系元素 [Og] 5g10 6f4 8s2 8p2
1/2
137 Uts Untriseptium 超錒系元素 [Og] 5g11 6f3 7d1 8s2 8p2
1/2
138 Uto Untrioctium 超錒系元素 [Og] 5g12 6f3 7d1 8s2 8p2
1/2
139 Ute Untriennium 超錒系元素 [Og] 5g13 6f2 7d2 8s2 8p2
1/2
140 Uqn Unquadnilium 超錒系元素 [Og] 5g14 6f3 7d1 8s2 8p2
1/2
141 Uqu Unquadunium 超錒系元素 [Og] 5g15 6f2 7d2 8s2 8p2
1/2
142 Uqb Unquadbium 超錒系元素 [Og] 5g16 6f2 7d2 8s2 8p2
1/2
143 Uqt Unquadtrium 超錒系元素 [Og] 5g17 6f2 7d2 8s2 8p2
1/2
144 Uqq Unquadquadium 超錒系元素 [Og] 5g18 6f1 7d3 8s2 8p2
1/2
145 Uqp Unquadpentium 超錒系元素 [Og] 5g18 6f3 7d2 8s2 8p2
1/2
146 Uqh Unquadhexium 超錒系元素 [Og] 5g18 6f4 7d2 8s2 8p2
1/2
147 Uqs Unquadseptium 超錒系元素 [Og] 5g18 6f5 7d2 8s2 8p2
1/2
148 Uqo Unquadoctium 超錒系元素 [Og] 5g18 6f6 7d2 8s2 8p2
1/2
149 Uqe Unquadennium 超錒系元素 [Og] 5g18 6f6 7d3 8s2 8p2
1/2
150 Upn Unpentnilium 超錒系元素 [Og] 5g18 6f6 7d4 8s2 8p2
1/2
151 Upu Unpentunium 超錒系元素 [Og] 5g18 6f8 7d3 8s2 8p2
1/2
152 Upb Unpentbium 超錒系元素 [Og] 5g18 6f9 7d3 8s2 8p2
1/2
153 Upt Unpenttrium 超錒系元素 [Og] 5g18 6f11 7d2 8s2 8p2
1/2
154 Upq Unpentquadium 超錒系元素 [Og] 5g18 6f12 7d2 8s2 8p2
1/2
155 Upp Unpentpentium 超錒系元素 [Og] 5g18 6f13 7d2 8s2 8p2
1/2
156 Uph Unpenthexium 過渡金屬 [Og] 5g18 6f14 7d2 8s2 8p2
1/2
157 Ups Unpentseptium 過渡金屬 [Og] 5g18 6f14 7d3 8s2 8p2
1/2
158 Upo Unpentoctium 過渡金屬 [Og] 5g18 6f14 7d4 8s2 8p2
1/2
159 Upe Unpentennium 過渡金屬 [Og] 5g18 6f14 7d4 8s2 8p2
1/2
9s1
160 Uhn Unhexnilium 過渡金屬 [Og] 5g18 6f14 7d5 8s2 8p2
1/2
9s1
161 Uhu Unhexunium 過渡金屬 [Og] 5g18 6f14 7d6 8s2 8p2
1/2
9s1
162 Uhb Unhexbium 過渡金屬 [Og] 5g18 6f14 7d8 8s2 8p2
1/2
163 Uht Unhextrium 過渡金屬 [Og] 5g18 6f14 7d9 8s2 8p2
1/2
164 Uhq Unhexquadium 過渡金屬 [Og] 5g18 6f14 7d10 8s2 8p2
1/2
165 Uhp Unhexpentium 鹼金屬 [Uhq] 9s1
166 Uhh Unhexhexium 鹼土金屬 [Uhq] 9s2
167 Uhs Unhexseptium 貧金屬 [Uhq] 9s2 9p1
1/2
168 Uho Unhexoctium 貧金屬 [Uhq] 9s2 9p2
1/2
169 Uhe Unhexennium 貧金屬 [Uhq] 8p1
3/2
9s2 9p2
1/2
170 Usn Unseptnilium 貧金屬 [Uhq] 8p2
3/2
9s2 9p2
1/2
171 Usu Unseptunium 鹵素 [Uhq] 8p3
3/2
9s2 9p2
1/2
172 Usb Unseptbium 稀有气体 [Uhq] 8p4
3/2
9s2 9p2
1/2
173 Ust Unsepttrium 鹼金屬 [Usb] 6g1
184 Uoq Unoctquadium 超臨界原子[11][12] [Usb] 6g5 7f4 8d3[8][13]

周期表的終結

我們仍不知道存在多少物理上可能的元素。光速限制了電子在更大電子層中運行,因此电中性原子的原子序最大可達到173(Ust[14];缺少部分或全部核外电子的原子核则有可能达到更重的水平,但这样的原子核根據核外電子排布分區將變得無意義;核殼層模型則限制離子狀態的元素最大至210號。[15](這類元素在上表以灰色底色及斜体顯示。)不過,有研究認為周期表有可能在更早的地方就結束了,或許就在穩定島之內,[16]代表元素的數目將為大約126個。[17]

另外,元素表及核素表的擴展也受質子滴綫中子滴綫的限制。

玻爾模型

理查德·費曼指出,根據玻爾模型,原子序大於137的元素,其內層軌域可能電子無法穩定存在[18],因爲在1s原子軌域中的電子的速度v計算如下:

當中Z原子序α是描述電磁力強度的精細結構常數[19]在這個計算中,任何原子序高於137的元素的1s軌域電子速度計算結果會比光速c還大[20][21],因此任何不建基於相對論的理論(如波爾模型)不足以處理這種計算。

而若將其結果轉換成動量[22]

對於任意高的p,我們可以找到滿足該等式的v < c。且電子的速度與原子核存在與否無關,因此此計算矛盾並不意味著Uts會是元素週期表上的最後一個元素[23]

相對論狄拉克方程

相對論狄拉克方程可以計算出原子的基態能量:

其中,m為電子靜止質量、c為光速、z為質子數、α為精細結構常數

m0表示電子靜質量,則其基態能量為:

當質子數為138或更大時,根號中將會出現負值,導致其值不是實數,因而導致狄拉克基態的波函數是震蕩的,並且正能譜與負能譜之間沒有間隙,正如克萊因悖論英语Klein paradox所言[24]

注释

  1. ^ 譬如,位于g1列的元素可能在價電子層擁有剛好一顆電子(如名所示),但也可能有更多,甚至沒有電子。
  2. ^ 諸如“g1”等標號根據馬德隆規則推論,但此規則只是根據觀測歸納出來,便是其中的例外。

参考文献

引用

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网页

外部連結

參見