Нет

Как мы в настоящее время понимаем физическую химию , все возможные элементы известны ниже, независимо от современного уровня техники номер сейчас ( Оганессон - Элемент 118 ).

Атомный номер элемента (число, определяющее, какой это элемент) может быть только целым числом. В конце концов, это число протонов, содержащихся в ядре . Точно так же, как нет неизвестных целых чисел между 1 и 118, в этом диапазоне нет неизвестных элементов.

Химические реакции происходят в результате сложных взаимодействий между спином электрона, электронами, заполняющими (или не заполняющими) орбитали (валентные электроны) и зарядом атома (ионными связями) . Все это происходит из-за количества электронов (на которое сильно влияет количество протонов через электромагнитную силу ) и того, как они заполняют электронные орбитали. Итак, если у вас есть ядро ​​без протонов, это не « нулевой элемент », это нейтрон . Поскольку нейтроны не имеют заряда, они не связывают никаких электронов. Если в ядре нет электронов, то оно не может ни с чем химически взаимодействовать.

Волшебный стабильный остров

Тем не менее, существует текущая гипотеза под названием Stable Island . Он утверждает, что некоторые изотопы элементов , которые еще предстоит открыть, будут демонстрировать большую стабильность, чем элементы вокруг них в периодической таблице.

Некоторые теоретические расчеты показывают, что изотопы некоторых элементов на волшебном «стабильном острове» могут иметь период полураспада до$10^9$(миллиард) лет. Более поздние расчеты показывают, что они будут иметь гораздо более короткий период полураспада, порядка нескольких часов или дней. Поскольку изотопа какого-либо элемента, который предположительно находится на волшебном острове, никогда не наблюдалось, научный консенсус сильно склоняется к более низким оценкам.

Стабильный остров обведен на графике. Похоже, что центр острова находится вокруг атомного номера 112 и нуклонного числа 276 и 278 (Copernicium - Cm). Существует второй остров менее стабильных ядер с атомным номером около 125 (нуклонный номер 294+). Мы создали несколько изотопов элемента 112, но его период полураспада настолько короток, что мы не знаем его объемных свойств. Мы не создали никаких изотопов элемента 125: по вертикальной оси отложен атомный номер (количество
$p$) и начинается с 81 (таллий). Каждый квадрат представляет целое число.
По горизонтальной оси отложено число нуклонов (количество$p$+$n$) и начинается примерно с 205. Каждый квадрат представляет собой целое число.
Обведенные прямоугольники представляют собой уже открытые или созданные изотопы элементов.
Пунктирная черная линия показывает «оптимальное»$\frac{p}{n}$отношение стабильного изотопа элемента.

Поиск неизвестного элемента

Мне очень нравится идея поиска новых элементов , поэтому предположим, что:

1. Стабильный остров существует
2. На одном или нескольких из этих стабильных островов есть неоткрытые изотопы.
3. Некоторые изотопы на острове имеют период полураспада выше$10^8$годы
4. Сверхновые звезды делают эти элементы

Плутоний ( ₂₄₄ Pu) имеет период полураспада около$8 \cdot 10^7$годы. Если мы сделаем часть этого в реакторе, то для человеческих целей он останется навсегда. Тем не менее, мы только однажды обнаружили какое-либо встречающееся в природе ₂₄₄ Pu (встречаются ли когда-либо в природе трансурановые элементы, такие как плутоний?) .

Как и плутоний, элемент с высоким Z и периодом полураспада$10^7$-$10^8$лет покажется людям очень стабильным и существует, возможно, миллиарды лет. Все материалы, характерные для Солнечной системы, были созданы около 4,6 миллиардов лет назад в результате взрыва сверхновой, вызвавшего коллапс пылевого облака, сформировавшего нашу Солнечную систему. С тех пор радиоактивные элементы начали распадаться, поэтому предложенный нами изотоп будет достаточно недолговечным, чтобы мы могли найти его очень мало или совсем не найти в материалах, родных для нашей Солнечной системы.

Интересно, что Солнце находится в галактическом объекте под названием «Местный пузырь » . Серия сверхновых, произошедших 10-50 миллионов лет назад, вытолкнула межзвездный газ из этой области, что сделало плотность межгалактического газа в этой области особенно низкой.

Что еще более важно, время и местоположение этих сверхновых означают, что кусок материала от одной из них мог совершить путешествие в нашу Солнечную систему за последние 30-50 миллионов лет. Поскольку эти сверхновые произошли только$10^7$лет назад предложенный нами радиоактивный изотоп все еще должен содержать очень высокий процент исходного нераспавшегося изотопа.

Итак, представьте, что человечество видит тело, движущееся через Солнечную систему по гиперболической траектории . Это означает, что тело возникло за пределами нашей Солнечной системы и будет плыть прямо через Солнечную систему, если мы не отклоним его направление. Нам нужно было бы перехватить и отклонить его, чтобы он прошел рядом с одним из газовых гигантов, чтобы передать достаточное изменение импульса, чтобы захватить его. Только одна из этих планет могла отклонить его настолько, чтобы он остался в нашей Солнечной системе. После отклонения мы могли бы обнаружить, что он покрыт тяжелыми элементами (металлами платиновой группы, ураном, плутонием, золотом и другими редкими на Земле материалами).

Для чего его использовать

Даже если он горит с кислородом более энергично, чем любая другая известная химическая реакция (хотя физическая химия предполагает, что 118 является благородным газом, 112 будет близок к благородному металлу, а 125 будет редкоземельным металлом — так что реально вы должны ожидать любой из они слабо реагируют или вообще не реагируют с кислородом), будет ли человечество действительно использовать его в качестве химического топлива?

Конечно нет.

Его нельзя найти на Земле, что делает его более ценным, чем любой земной материал, о котором вы только можете подумать (более ценным, чем золото, платина или даже самые драгоценные драгоценные камни). Если бы вы собирались «сжечь» его, вы бы не использовали ничтожное выделение энергии химических реакций (в конце концов, сколько вы знаете людей, которые сжигают алмазы для получения тепла?). Вместо этого вы пойдете на 1 000 000$\times$энерговыделение атомной энергетики.

Тем не менее (и независимо от вашей оговорки «без ядерного оружия»), я подозреваю, что материал будет слишком ценным, чтобы «сжигать» его в ядерных реакторах. С$10^8$После года полураспада мы могли бы получить больше только в том случае, если бы еще одно такое тело пролетело через Солнечную систему. Не ожидайте, что это будет какой-то источник возобновляемой энергии. (Если вам нужна аналогия с научной фантастикой об истощении запасов ископаемого топлива на Земле, это может стать интересной историей)

Он будет использоваться в основном для исследований — пытаясь выяснить, на что способен этот материал. Или для сверхбогатых, возможно, сделать несколько сувенирных безделушек для ношения (материал будет радиоактивным, но не настолько радиоактивным, чтобы быть опасным).

Редактировать 29.02.2016: Итак, я думал об этом и подумал, эй, что, если бы у нас был умеренно большой металлический астероид, движущийся по гиперболическому курсу через нашу солнечную систему. Мы отправили к нему зонд и обнаружили, что он битком набит элементами со стабильного острова. Если бы мы могли отклонить его курс, у нас было бы огромное количество материала для самых разных вещей (реакторы деления, исследования, особые свойства материалов и т. д.).

These materials would still not be used for their chemical reactions, the energy released would not be worth the energy investment to get the materials. It might be used for fission if it was a superior fission fuel (it would release more energy than the fission fuels we already use). Perhaps "burning" it would result in fission "ash" that were especially valuable elements (like platinum group metals), and released far fewer neutrons during the reaction. But that violates your no nuclear power criteria.

Regardless, this scenario also breaks your renewables scenario.

Other ways to get there

There are at least two other ways to get what you want.

Термоядерный синтез Некоторая форма термоядерного
синтеза, желательно дешевая и с низким энергопотреблением (известная также как «холодный синтез») могла бы сослужить хорошую службу. На данный момент нет правдоподобного и экономичного механизма для этого, но не будет полным нарушением физических законов предположить, что какой-то способ сделать это был открыт.

Metastable Helium
A Helium atom has 2 electrons. The lowest energy orbital is the "1S" orbital. The "1S" orbital can hold up to 2 electrons. However, those two electrons must possess different values of "spin" (one "up" and one "down"). If you instead give the Helium two electrons with the same spin value (e.g. two with the "up" spin), then one will sit in the "1s" orbital but its presence prevents the second electron from also falling into the "1s" orbital. Instead it sits in the "2s" orbital. This is called Metastable Helium.

Metastable Helium could conceivably provide energies far higher than any chemical reaction and give specific impulses of up to 10x that of $2\text{H}_{2\text{(L)}} + \text{O}_{2\text{(L)}} \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}$. Since this is a "Real Thing", you wouldn't be violating the laws of physics to include it in your world.

Metastable Helium has a half-life of about 2.3 hours but it can be catalyzed to decay ("burn") faster.

The two main drawbacks of Metastable Helium are:

1. It is not a fuel, it is an energy storage mechanism (you still need power plants to make your energy).
2. Metastable Helium is, well, metastable. It has a tendency to spontaneously release its energy. Helium switching from metastable to stable tends to catalyze surrounding Metastable Helium to do the same thing. If you have a large fuel tank, the large quantity and the high energy density of the substance tends to lead to an "Earth shattering Ka-Boom"

There's a variant of Metastable Helium that reduces of some of its problems (e.g. making it more stable and giving it a longer half-life). This is called diatomic metastable Helium. You bond a metastable Helium to a stable Helium then chill it until it forms a solid. The resulting material has a half-life measured in years but it releases its energy when exposed to heat.

Unfortunately, this halves the energy density of Metastable Helium - but that's still much better than typical chemical reactions.

Nuclear Isomers
Another possibility is a nuclear isomer.

Imagine a small but very elastic balloon with a wide mouth. Fill this balloon with 72 black ping pong balls (protons - $p$) and 102 white ping pong balls (neutrons - $n$) representative of the nucleus of Hafnium (Hf). Both $p$ and $n$являются нуклоны. В каждом шарике для пинг-понга есть мексиканский прыгающий боб. Встряхивайте воздушный шар до тех пор, пока не получите минимально возможную площадь поверхности — это известно как ваше минимальное или основное энергетическое состояние. Теперь осторожно вытащите один нуклон из основного состояния и переместите его на другую сторону шарика, чтобы он торчал наружу. Это ядерный изомер , представляющий «возбужденное состояние» ядра.

Если вы просто оставите конфигурацию на некоторое время, случайная энергия, поставляемая мексиканскими прыгающими бобами, в конечном итоге заставит шарики для пинг-понга внезапно вернуться в исходное состояние. Это издаст звук («вумп!»). Воздушный шар представляет собой ядро. Шарики для пинг-понга представляют собой нуклоны. Звук - гамма-луч ($\gamma$) высвобождается, когда ядерный изомер высвобождает свою энергию.

Если вы достаточно сильно ударите по воздушному шару, ядро ​​также перестроится в основное состояние. Это то, что ученые пытаются доказать в лаборатории.

В то время как метастабильный гелий использует возбужденные электронные состояния для хранения энергии, ядерные изомеры хранят энергию в возбужденных нуклонах. Как и ядерные реакции$10^6 \times$более мощные, чем химические, возбужденные нуклоны могут хранить гораздо больше энергии, чем электроны (порядка$5 \cdot 10^5 \times$больше, чем в большинстве химических реакций).

Подобно тому, как период полураспада радиоактивных элементов колеблется от пикосекунд до более чем десятков миллиардов лет, то же самое верно и для ядерных изомеров. Считается, что один изомер имеет период полураспада около$10^{15}$лет - ни разу не наблюдалось его распада и практического применения не имеет. У других периоды полураспада настолько короткие, что они также не имеют практического применения, потому что все атомы в образце, по-видимому, самопроизвольно распадаются. Однако у гафния есть ядерный изомер с очень удобным периодом полураспада 31 год, и он может быть полезен.

Есть несколько проблем с ядерными изомерами. К ним относится неспособность вызвать высвобождение энергии (**подробнее об этом ниже). Энергия выделяется из гафния в виде гамма-лучей (что требует экранирования). Как и в случае с метастабильным гелием, ядерные изомеры являются не топливом, а механизмом накопления энергии. Они возобновляемы только так же, как возобновляемы батареи (и метастабильный гелий) — их можно перезаряжать и использовать повторно.

Было проведено несколько противоречивых исследований, указывающих на то, что был найден метод стимуляции высвобождения энергии из ядерных изомеров. Пока что количество энергии, необходимое для их стимуляции, превышает количество энергии, которую они могут высвобождать.

Несмотря на все эти проблемы, ядерные изомеры теоретически являются возможным механизмом хранения энергии, и они могут стать компонентом потрясающей инфраструктуры хранения энергии. Вы бы зарядили их, а затем использовали как батареи, мощность которых постепенно истощалась.

Плотность энергии

Вы не найдете ни одного неядерного источника энергии с плотностью энергии большей, чем у ядерной. Это связано с типом вовлеченных сил (сильное и слабое ядерное взаимодействие против электромагнетизма) и является фундаментальным для природы Вселенной.

Многие люди не имеют врожденного понимания относительных величин энергии, высвобождаемой между химической и ядерной энергией. Итак, давайте использовать расстояние как показатель энергии. Если 1 см соотносится с энергией, выделяемой при самых мощных химических реакциях, то 16 километров — это энергия, выделяемая при делении ядер. Фьюжн 100+$\times$более мощные (представлены расстоянием 1600 километров). Выработка энергии с использованием химической энергии просто не очень эффективна по сравнению с ядерной.

Это относительная плотность энергии нескольких материалов:

• Антивещество >$12 \times$Fusion (Вики-значение$150 \times$)
• Фьюжн >$4 \times$Деление (Вики-значение$100 \times$)
• Деление >$10^6 \times$химический (Вики-значение$1.6 \cdot 10^6 \times$)
• Ядерный изомер >$5 \cdot 10^5 \times$химический
• Метастабильный гелий >$10-100 \times$большинство других химических веществ (значение Wiki$10 \times$)
• Двухатомный метастабильный гелий >$5-50 \times$большинство других химических веществ (значение Wiki$5 \times$)
• Большинство химических видов топлива >$100 \times$большинство возобновляемых источников энергии (прямое сравнение затруднено, потому что возобновляемые виды топлива часто «бесплатны», но их инфраструктура огромна и дорога)

Между прочим, вы получаете самые энергичные химические реакции между элементами, комбинируя элементы из верхней правой части таблицы Менделеева (окислители, такие как фтор/кислород) с элементами из нижней левой части (восстановители/щелочные металлы). Еще не созданный щелочной металл Ununennium - Element 119 удовлетворит ваши требования. Однако ожидается, что период полураспада этого элемента не превышает микросекунды, и он не переживет путешествие от ближайшей сверхновой (звездное событие, создавшее такие элементы) в Солнечную систему.

Вы можете создавать молекулы с большей энергией сгорания с помощью многих механизмов. Большинство этих чрезвычайно мощных взрывчатых веществ нестабильны и поэтому в большинстве случаев небезопасны для использования. Другие (например , Octanitrocubane, также известный как Cubane ) настолько сложно создать, что их производство в больших количествах слишком дорого.

Октанитрокубан (молекулярная формула: C ₈ (NO ₂ ) ₈ ) представляет собой бризантное взрывчатое вещество, которое, как и тротил, нечувствительно к удару (трудно детонировать при ударе).

...

Считается, что октанитрокубан обладает на 20–25% большей эффективностью, чем октоген (октоген).

Но в конечном итоге энергии химических реакций ограничены энергиями, доступными благодаря прочности химической связи.

Возобновляемые источники

Возобновляемые источники энергии, по крайней мере в обычном понимании (например, ветер и солнечная энергия), обладают чрезвычайно низкой плотностью энергии. Рассмотрим ветряную электростанцию ​​с 1000 большими ветряными турбинами мощностью 1 МВт. Он будет охватывать много квадратных миль и генерировать 1/5 или меньше энергии, производимой одной средней угольной или атомной электростанцией мощностью 1 ГВт, которая занимает всего пару акров земли (фактическая вырабатываемая мощность, а не установленная теоретическая мощность). .

Если вам нужна плотность энергии, то вам нужна ядерная энергия.

Если вам нужны возобновляемые источники энергии, вам придется жить с очень низкой плотностью энергии.

Если вы хотите и то, и другое, то вам нужно что-то вроде метастабильного гелия (см. выше), чтобы хранить энергию, производимую вашей электростанцией с низкой плотностью энергии, в форме с высокой плотностью энергии (но вам все равно придется жить с огромным, низким энергопотреблением). плотность ветровой электростанции).

Хотя в настоящее время популярно превозносить достоинства «возобновляемых источников энергии», в конечном итоге возобновляемые источники энергии исходят от солнечного света, а солнечный свет исходит от Солнца, которое представляет собой гигантскую атомную электростанцию. Зачем иметь дело со всеми посредниками (промежуточными процессами), каждый из которых имеет довольно большую потерю эффективности. Почему бы не работать напрямую с атомной энергетикой?

Как это может работать?

На примере двухатомного метастабильного гелия...

Предположим, ученые изучают кометные материалы (как они были собраны, не важно) и обнаруживают, что одно из таких соединений содержит метастабильный гелий в какой-то форме, гораздо более стабильной, чем все, что мы обнаружили до сих пор. Просто знание того, что такой материал существует, и наличие нескольких примеров приведет к огромной новой области исследований.

В конце концов, все может работать на новых носителях энергии, используя метастабильное соединение гелия в качестве батареи и огромные возобновляемые источники энергии, распространенные по всей планете (или на Луне) для питания этих батарей.

Мы не будем зависеть от добычи материалов из небесных источников.

В качестве альтернативы, если в вашей истории важно, чтобы нам пришлось добывать источник топлива, то вы всегда можете обратиться к добыче Луны и других астрономических тел за ₃ He. Это требует от вас использования ядерного оружия. С положительной стороны, ₃ He испускает значительно меньше нейтронов, чем большинство других термоядерных реакций.

Краткий ответ: Нет.

Элементы идентифицируются по их атомному номеру, т.е. количеству протонов в ядре.

Когда Менделеев изобрел периодическую таблицу, в ней было много дырок. Например, не было никакого известного элемента между кальцием, атомным номером 20, и титаном, номером 22. Поэтому Менделеев предположил существование новых, ранее неизвестных элементов. Он предсказал свойства этих элементов, основываясь на том, где они поместятся в его периодической таблице. Когда эти элементы были обнаружены и действительно обладали предсказанными им свойствами, это стало убедительным доказательством того, что теория, стоящая за его периодической таблицей, верна.

(Примечание: Менделеев построил свою таблицу, используя атомные веса, а не атомные числа, поэтому его методы не были такими строгими, как сегодня. Но это побочный момент.)

Сегодня мы идентифицировали элементы для каждого возможного атомного номера от 1 (водород) до 118 (предварительно названный ununoctium). То есть мы знаем элементы 1, 2, 3, 4, 5, 6 и т. д., все возможные целые числа до 118. Таким образом, любые неизвестные элементы должны иметь атомные номера выше 118.

Все известные элементы с атомным номером 84 или выше (84 = полоний) радиоактивны и нестабильны. Как упоминает Jim2B, некоторые физики предполагают, что могут существовать стабильные элементы с более высокими атомными номерами, но такие элементы никогда не были найдены в природе или синтезированы в лаборатории, так что на данный момент это все теория.

Люди уже рассмотрели часть вопроса о периодической таблице, поэтому я хотел бы на мгновение поговорить об одном из побочных условий.

Два желательных свойства возобновляемой энергии и более высокой плотности энергии, чем ядерная, по существу, противоречат друг другу. Возобновляемость чего-либо означает, что это вещество может, по сути, возникать спонтанно. В свою очередь, это означает, что для его построения не может требоваться огромное количество энергии, потому что любой спонтанный процесс, создающий вещество из других источников, должен был бы как-то вкладывать эту энергию. В частности, он должен был бы концентрировать эту энергию в энергию плотность того, что он делает.

Это очень сильно ограничивает плотность энергии возобновляемых ресурсов. Любому спонтанному процессу, пытающемуся упаковать столько энергии в маленькое место, вероятно, будет легче поджечь себя, чем произвести анобтаний. Не в последнюю очередь потому, что существует так много разных способов возгорания, а способов синтеза унобтаниума всего несколько.

Вы сами ответили на свой вопрос, опубликовав изображение Периодической таблицы — ясно, что между 1 и 118 нет промежутков .

Однако, поскольку это WB , а не Physics , давайте порассуждаем. Ядро обычно изображают в виде грозди винограда, образующей сферическую структуру, поскольку это состояние с наименьшей энергией. Но так ли...

Ядра связаны вместе Сильной Силой . Это очень короткое расстояние, по существу связывающее нуклоны с их ближайшими соседями. Борьба с Сильной Силой — это электростатическое отталкивание протонов, которое имеет большой радиус действия. Любой протон чувствует себя отталкиваемым всеми остальными в ядре. По мере роста ядра сила отталкивания становится больше, а Сильная силадействительно не меняется. Добавление нейтральных нейтронов помогает, потому что это отталкивает протоны дальше друг от друга, ослабляя электростатическую силу. Вот почему протонно-нейтронная смесь начинается примерно одинаково и становится все более богатой нейтронами по мере подъема. К тому времени, как мы добираемся до нескольких сотен нуклонов, становится все труднее удерживать все вместе, и мы получаем радиоактивные изотопы, которые продолжают распадаться.

Однако что, если существует область стабильности в очень большом диапазоне атомных номеров? Возможно, когда мы доберемся, скажем, до 1000 ядер, могут сформироваться структуры, которые сделают его стабильным. Например, у вас может быть внешняя оболочка из чередующихся протонов и нейтронов (как рисунок на футбольном мяче) с центральным ядром из нейтронов. Это будет держать протоны далеко друг от друга, но позволит вам иметь массивное ядро.

Его химические свойства были бы странными — гигантское ядро ​​искажало бы радиусы орбит электронов. Он был бы очень плотным — возможно, на два или три порядка плотнее, чем существующие элементы. Если вы возмутите протонно-нейтронную решетку, она распадется на брызги более легких элементов и высвободит довольно много энергии, как я полагаю.

Такое явление вряд ли может образоваться естественным путем, поскольку ядра обычно образуются путем сдавливания более легких ядер. Тем не менее, вы могли бы спроектировать такое ядро: сделать 2D$p-n$решетку, затем оберните ею каплю нейтрония. Простые!

Много хороших ответов, но вот мои 0,02 доллара (до вычета налогов).

Во-первых, нет места для добавления новых элементов в микс, если вы не можете найти какой-нибудь интересный элемент большой массы, который нарушает все известные правила. Нет пробелов, которые нужно заполнить, кроме каких-то странных изотопов и тому подобного.

Тем не менее, давайте посмотрим на ваши три условия в обратном порядке:

№ 3: Возобновляемый

Думаю, это будет зависеть от вашего источника. В целом это означает, что топливо и/или любые исходные материалы не являются статическим ресурсом (не добывать его на астероидах и т.п.). Ископаемые виды топлива не являются возобновляемыми, в отличие от спиртов растительного происхождения и биодизельного топлива. Это может быть довольно просто решить, а может и нет.

# 2: Чистота

Не так просто, как кажется. Если вы просто имеете в виду, что он оказывает минимальное воздействие на окружающую среду при использовании в качестве источника топлива, без учета воздействия на окружающую среду его производства, тогда мы можем добавить много интересных вещей в смесь. Обе стороны этого являются проблемами для ядерной энергетики, поскольку как переработка, так и использование ядерных материалов производят отходы, которые, вероятно, будут проблемой в течение тысячелетий.

№ 1: лучше, чем атомная энергетика

Причина, по которой я изменил порядок, заключается в том, что это одновременно самые сложные критерии и самое непосредственное влияние на возможные ответы. Неважно, какие малоизвестные атомные изотопы или вымышленные элементы вы придумаете, химические реакции просто не высвобождают такую ​​энергию, как ядерные. Период. Химические связи на несколько порядков менее прочны, чем ядерные, и это никогда не изменится, независимо от того, с каким материалом вы взаимодействуете.

Что, на мой взгляд, оставляет один действительно реальный материал: антиматерию.

В частности, антиводород состоит из ядра из 1 антипротона с одним позитроном. Впервые он был синтезирован (конечно, в сверхмалых пропорциях) в ЦЕРН еще в 90-х годах и до сих пор изучается. Если прогнозы верны, он будет действовать точно так же, как обычный водород, и сформирует антиматерию, эквивалентную газу H _{2 .}

Возьмите 1 часть водорода и одну часть антиводорода, смешайте в соответствующем реакторе, следя за тем, чтобы ваша антиматерия никогда не соприкасалась с «нормальной» материей, и в результате высвобождается энергия (гамма-лучи от электронно-позитронной реакции плюс различные пионы, мюоны). , нейтрино, позитроны и электроны из протона/антипротона) настолько близка, насколько это возможно в настоящее время, к полному высвобождению энергии из массы.

Помимо того, что нейтрино вырываются почти из любой доступной в настоящее время защитной оболочки, результат довольно близок к топливу с самой высокой плотностью, которое только возможно сделать, почти чистому E=MC ² . По массе топлива электростанция на материи/антиматерии должна производить примерно в 2 миллиарда раз больше энергии, чем дизельный двигатель. Если вы хотите привести в действие наземный транспорт (при условии, что вы можете построить компактный реактор), грамма антиводорода хватит на чертовски долгое время.

С «чистой» точки зрения реакции M/AM имеют довольно безопасные побочные продукты, если вы можете захватить гамма-лучи и так далее. Там нет отработанных газов от сгорания, нет воды и т. д. Если бы вы могли просто использовать позитроны, все, что вы получили бы, — это целую кучу гамма-излучения, но хранить их еще сложнее, когда у вас нет антипротона, к которому они могли бы прицепиться. Фактически, единственными реальными выбросами из реактора будут нейтрино, которые не так уж заинтересованы в реакции с чем-либо. При достаточно высоких плотностях могут быть какие-то странные эффекты, может быть, случайная трансмутация или незапланированная ионизация в окружающей материи... ничего особенного.

В настоящее время антивещество можно синтезировать в небольших количествах, используя огромное количество энергии, что является небольшим недостатком. Но если вы сможете решить проблему синтеза и иметь доступ к достаточному количеству энергии из других источников, то, возможно, вы сможете производить стабильные поставки. Это относится к возобновляемым источникам энергии.

Проблема, конечно, в том, что у вас почти нет шансов избежать неизбежной неконтролируемой реакции М/АМ и стереть свой вид с лица планеты. Может быть, использовать это вещество только в космосе, где взрыв вряд ли проделает дыры в планетарной коре.

Все вышеперечисленное основано на очень высоком технологическом уровне — вспомните «Космическую оперу» — и до того, как будут проработаны все изгибы, можно будет создать устройство, которое высвобождает энергию непосредственно из материи. Лично я был бы более счастлив увидеть преобразователь материи в энергию, чем реакторы М/АМ, но оба они сейчас вне нашей досягаемости.

Предположим, что 128-й был катализатором низкотемпературной реакции синтеза — например, обычный изотоп А сливается с обычным изотопом В на поверхности ядра 128-го, в результате чего получается нестабильный изотоп С, который быстро распадается в результате бета-распада на стабильный побочный продукт D, выделяя много тепла и отсутствие опасных побочных продуктов. Вам придется просмотреть диаграмму ядерного распада, чтобы найти дружественную реакцию, или придумать другую, которая не соответствует диаграмме, но правдоподобна.

Да, возможно

Посмотрите на мультипозитронные системы.

http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.83.5471

Короткая версия заключается в том, что вы можете связать позитроны (то есть антиэлектроны) с отрицательными ионами, чтобы создать новые причудливые атомы. Таким образом, между элементами периодической таблицы могут быть новые «элементы». Насколько мне известно, мало что известно о свойствах таких вещей, но это то, к чему я бы обратился за загадочной материей.

Этот мультфильм xkcd затянул меня на несколько часов впустую из-за примечания, которое вы видите между 3 и 4: « Гирд — принято ортодоксальными математиками как канон ».

На странице объяснений , на которую я ссылаюсь, вы видите ссылки на связанные значения: Bleem, Derf, Bleen, SCP-033 (из-за которого я чуть не потерял свой планшет) и Sorf. Вы можете начать там и найти в Интернете рассказы (и даже короткометражный фильм сейчас) для The Strangen Number и т. д.

Так что есть bleem jelly beans - глупый трюк. Почему чрезмерные нагрузки не хотят, чтобы мы заметили это целое число? Может быть, наличие протонов в атоме гораздо более серьезное дело.

Если у вас есть дополнительное число , которое вы пропустили, то у вас будет соответствующий элемент и несколько изотопов нескольких других элементов.

Существуют ли потенциальные пробелы в периодической таблице, где может существовать такой элемент?

Как все говорили: нет .

Хотя у вас могут быть элементы, превышающие 118 (и Jim2B отлично рассмотрел возможность того, что некоторые из них стабильны), в периодической таблице явно нет пробелов, и ничто не изменит этого.

Где в периодической таблице такой элемент мог бы стать лучшим источником топлива?

Во-первых, мы должны обсудить, что значит быть элементом и что значит быть топливом .

Атом данного элемента можно представить себе как ядро , окруженное облаком электронов . Чтобы действовать как топливо , эти атомы должны реагировать таким образом, чтобы производить энергию. Когда атомы реагируют, они могут делать это одним из двух способов. Во-первых, они могут взаимодействовать поверхностно, через окружающее облако электронов , создавая и разрывая химические связи с другими атомами в процессе, известном как химические реакции . Во-вторых, они могли реагировать на более глубоком уровне, сливая или разрушая свои ядра — процесс, известный как (подождите...) ядерные реакции .

Таким образом, по самому определению элемента вы автоматически ограничены либо более слабыми химическими реакциями, либо более энергичными ядерными реакциями. Но вы априори исключили ядерные реакции как недостаточно мощные, поэтому неясно , какую реакцию вы ищете. На самом деле здесь не так много третьего варианта - либо вы вовлекаете ядро ​​в реакцию, либо нет (тем самым теряете их большее количество энергии).

Я дам два варианта, оба из которых технически нарушают ваши правила.

Ядерный редукс

Вы не объясняете, почему вы не хотите атомную, кроме того, что вы хотите более высокую плотность энергии. Как уже упоминалось, ядерные реакции представляют собой реакции более высокой плотности. Однако не все «ядерные» одинаковы. Это нормально, если это ядерная энергетика, но с более высокой удельной мощностью, чем у нынешних атомных станций?

Основными категориями ядерной энергии являются деление и синтез. Но даже внутри этих категорий существует огромное разнообразие дизайнов с ошеломляющими различиями между ними. На самом деле количество энергии, которое вы можете получить из данного количества топлива, во многом определяется конструкцией реактора, а не только топливом.

Например, большинство ядерных реакторов, используемых сегодня, представляют собой реакторы «поколения II», спроектированные и построенные между 60-ми и 90-ми годами. Некоторые из более новых относятся к поколению III, которые представляют собой постепенные улучшения конструкций поколения II, но по-прежнему основаны на твердотопливных стержнях и водяном охлаждении под давлением. Однако существует ряд конструкций реакторов поколения IV , например, различные реакторы на расплавленных солях (MSR), которые выглядят так, как будто они могут обеспечить в 100-300 раз больший выход энергии при том же количестве ядерного топлива.«Там, где современные конструкции поколения II или III извлекают лишь небольшую часть энергии топлива и оставляют после себя большое количество отходов, эти более новые конструкции способны выжимать большую часть энергии топлива, оставляя очень мало отходов, которые относительно недолговечен.Для ваших целей это считается более плотным по мощности, чем ядерное?

Лучшее топливо для деления оказывается максимально массивным и радиоактивным, но при этом достаточно стабильным, чтобы не распадаться быстро на что-то другое. Элементы, которые лучше всего соответствуют этим требованиям, — это такие вещества, как уран и торий.

В частности, в отношении MSR ведутся споры о том, следует ли придерживаться уранового топлива или перейти на торий, который, по-видимому, обладает большей энергоемкостью, чем уран, и, возможно, более распространен. Хотя оба элемента не совсем возобновляемы, они в изобилии присутствуют на нашей планете и, по сути, будут существовать бесконечно долго (океан насыщен ураном, поступающим в него из рек, а торий является чрезвычайно распространенным побочным продуктом некоторых видов добычи, который в настоящее время выбрасывается; это также распространено на Луне). Уран и торий — единственные значительно радиоактивные элементы, присутствующие на нашей планете в больших количествах.

And this is all before we even start to consider fusion. In fusion, since you're trying to make the nuclei go fast enough to bump into each other without being deflected, the best fuel is lightweight -- hence the desire to use Hydrogen or Helium (atomic numbers 1 and 2). Some fusion reactors use an isotope of Helium known as Helium-3.

Antimatter

This is not an element, but a different type of matter, with opposite electric charge from regular matter. When matter and antimatter meet, they annihilate each other, and produce the maximum possible amount of energy for a given amount of mass. This is your absolute limit on the amount of energy you can extract from matter. Technically, this is also a form of nuclear reaction, since you're annihilating the nucleus.

Проблема в том, что антиматерия не встречается в природе, и ее очень трудно создать, так что в конечном итоге вы теряете энергию в процессе. Здесь я собираюсь немного отклониться от известной науки и размышлять в целях фантастики. Я могу придумать несколько возможных источников, где можно найти антиматерию.

Межзвездная среда

Это, вероятно, неверно, но есть небольшой шанс, что вы можете столкнуться со следовыми количествами антивещества в вакууме глубокого космоса, очень похожего на межзвездный водород. Вероятно, это можно было бы собрать и собрать с помощью какого-нибудь Ramjet Bussard. Я предполагаю, что таким образом USS Enterprise получает по крайней мере часть своей антиматерии.

Черные дыры

While black holes are usually thought of as things from which nothing can escape, Stephen Hawking actually argued that they evaporate, emitting so-called Hawking radiation in the process. This can be thought of as a particle/anti-particle pair forming from the vacuum near an event horizon, and then one member getting sucked into the black hole, while the other is freed. You might think about trying to manipulate with electromagnetic fields which member of the pair is devoured and which is emitted, it's probably just easier to harvest the resulting Hawking radiation directly (again, speaking in a purely speculative manner).

Or, as long as you've got a black hole, you could go for some of the other options listed here: https://physics.stackexchange.com/questions/20813/how-would-a-black-hole-power-plant-work

Magnetic Fields

Делая шаг назад от экзотической физики черных дыр, оказывается, что аналогичный процесс частицы/античастицы происходит, когда космическое излучение сталкивается с планетной атмосферой. А если присутствует магнитное поле, оно может удерживать античастицы. Согласно этой странице , считается, что в радиационных поясах Сатурна может храниться порядка нескольких сотен микрограммов антивещества, а также большое количество вокруг Земли. Как вы собираетесь его извлекать, это совсем другой вопрос. Хорошо, что он будет обновляться за счет большего количества космического излучения.

Нет, но, возможно, можно открыть изотоп ранее существовавшего элемента.

Из-за природы периодической стабильности в ней не может быть пробелов, однако может быть обнаружен какой-то супертопливный изотоп, такой как дейтерий или уран-235.

Почему элемент?

Вы уверены, что хотите, чтобы ваше топливо было новым элементом ? Как отмечали другие, мы довольно хорошо рассмотрели пространство элементов. Новые элементы — это просто все более нестабильные сгустки протонов и нейтронов (с электронами, вращающимися вокруг них), которые существуют только в редких случаях.

Мы уже знаем способы использования топлива с более высокой плотностью. Например, ядерное деление настолько энергоплотно, что загрязняющие вещества в угле дадут больше энергии, если использовать его в качестве урана, чем если бы уголь сжигался. Мы не используем это, потому что это дорого.

Другим топливом еще более высокой плотности является антиматерия. Сейчас мы не используем его в качестве топлива, потому что у нас нет его источника, а если бы он и был, у нас не было бы оборудования для его обработки. Это даже не так далеко в процессе разработки, как слияние. Поэтому, если люди в вашем мире обнаружат обильный источник антиматерии и найдут способ ее добычи, это заполнит примерно то же пространство, что и новый элемент. И он мог бы действовать полностью в соответствии с тем, что мы знаем о Вселенной.

А как насчет частиц более низкого уровня? Зачем ограничивать себя только атомами? Вместо этого вы могли бы говорить о чем-то, состоящем из кварков, а не о более стандартных протонах, нейтронах, электронах, нейтрино и их античастицах. Это не вписывалось бы в периодическую таблицу, но действовало бы скорее как новый элемент.

Другой возможностью может быть альтернативная версия энергии. В настоящее время мы можем хранить энергию как потенциальную энергию, кинетическую энергию или электромагнитную энергию (фотоны). Что, если бы вы обнаружили более управляемую версию фотона? Легче хранить в виде энергии?

Или придумайте способ использовать основные принципы гравитации для хранения энергии. Мы не знаем, как передается гравитация. Мы много спекулируем. Возможно, для ваших целей подойдет одна ветвь спекуляций. Возможно, секрет гравитонов. Или что-то другое. Если это звучит интересно, я бы предложил новый вопрос, где кто-то более знающий, чем я, мог бы дать более конкретные предложения.

Я думаю, что если вы отпустите периодическую таблицу, вам будет легче достичь своей настоящей цели.

(1) В периодической таблице нет логического пробела, в который можно было бы вставить новый таинственный элемент для использования в качестве топлива.

(2) Тем не менее, не исключайте растворы с ионами и молекулами. Ни один из типов не является элементом. Ядерное топливо годится для многих целей, но со временем оно разлагается. Кроме того, лучший источник энергии зависит от того, для чего он предназначен.

Я предполагаю, что то, что вы действительно хотите, — это топливо, которое, вероятно, может оставаться в состоянии с высоким потенциалом, пока оно путешествует световые годы. Для научно-фантастического рассказа было бы полезно, если бы топливо можно было обновить или перезарядить на орбите далекого солнца.

Рассмотрим устройство, которое использует ионы, молекулы и магнитогидродинамику и может заряжаться от солнечной энергии. Вы можете назвать устройство одним из видов топлива для космического корабля, но сообщите своим читателям, что это больше, чем просто элементы.

Найс. Или Йено. Или, возможно, Mayes, или nobe. Или любой другой вариант да-нет-может быть.

Как мастерски сказали многие авторы здесь, в таблице Менделеева нет пробелов.

Количество протонов должно быть целым числом.

Только вот почему целое число? Почему не полтора протона?

Теперь мы знаем, что протоны не неделимы. Они состоят из еще более мелких частиц. Итак, атом, состоящий из необычного протона? Тот, который тяжелее или легче обычного протона? Может быть, у него всего два кварка или, может быть, шесть? Нет оснований полагать, что это не может быть элемент, отличный от элемента с нормальными (трехкварковыми) протонами. И поскольку у него может быть просто более или менее положительный заряд, чем у традиционного протона, количество электронов, необходимое для уравновешивания заряда, создаст интересную ситуацию. Как бы вы вписали такой элемент в периодическую таблицу, если не сказать, что он заполнил пробел? Не изотоп, а элемент с одинаковым количеством протонов, только протоны были разные? Назовите это, скажем, элементом 91(а) и 91(б) или 91 и 91,5?

Я даже не мог представить себе энергии, которые могут быть доступны при таких обстоятельствах, и то, как их можно высвободить. Возможно, в каком-то ядерном преобразовании вернуться к традиционному протону? Но в этом и прелесть фантастики. Вам не нужно объяснять больше, чем это необходимо для сюжета. "Выполнимо" достаточно хорошо.

В периодической таблице, очевидно, нет пробелов из-за целочисленной природы элементов и множества других причин из других ответов. Тем не менее, похоже, никто не упомянул нейтроний , который может дать вам некоторое пространство для маневра в начале таблицы Менделеева, а не в конце.

нейтроний

Конечно гипотетическое вещество, оно полностью состоит из нейтронов. Некоторые ядерные модели допускают это, а другие прямо исключают . В вашей вселенной, возможно, именно эти первые модели верны и допускают нейтроний в качестве элемента. Учитывая, как мало мы о нем знаем, у вас будет более или менее полная свобода действий в отношении того, каковы именно его свойства и как его можно использовать в качестве источника топлива.

Although the question of whether there are gaps in the chemical table has been answered thoroughly here, and there has been some discussion of alternate fuel sources besides chemical combustion, I would like to expound upon that a bit. The reason why is because, although there are no gaps in the periodic table, there is plenty of room for new stuff in the standard model, which is the domain of high-energy physics, and high energy is precisely what you seem to be interested in. Better, since so little is known on the fringes of the model, there is an incredible amount of room to make stuff up.

All energy production, simplified

(Bear with me)

Чтобы упростить общую проблему «производства энергии», полезно вспомнить, что энергию нельзя ни создать, ни уничтожить . Это означает, что энергия на самом деле не производится... она была там все время. Механизм, с помощью которого мы используем указанную энергию, заключается в перемещении системы из одного стабильного состояния с относительно высокой энергией в другое стабильное состояние с более низкой энергией . Часто, используя какой- нибудь хитрый механизм , движитель может использовать эту разницу.

Например, при сжигании угля происходит реакция C + O_2 -> CO_2. Это счастливое совпадение нашей Вселенной, что, несмотря на то, что она раздельна C + O_2при относительно высокой энергии и CO_2при более низкой энергии, состояние материи «между» этими двумя состояниями имеет еще более высокую энергию . Это предотвратит самопроизвольное свертывание всех Cи the в . Чтобы преодолеть этот «барьер» еще более высокого энергетического состояния, мы должны вложить некоторое количество энергии. Однако эта энергия возвращается, когда реакция, наконец, устанавливается на уровне .O_2CO_2CO_2

SO to generalize the process of burning coal: Take a system at a high, but stable, energy state. Hope that that system has a lower, but not yet realized, energy state. Input energy to move the system from the higher to the lower energy state. Get your input energy back, plus some, by use of some energy-harnessing-device.

Nuclear energy works just this way: Uranium is a high energy state. Krypton and Barium (the byproducts of Uranium fission) are lower energy. The state "in between" is very high energy. One inputs energy to the Uranium to overcome the "in between" state, ending up with Krypton and Barium (the low energy state) and a crapboat of heat energy that can power, for example, a steam engine.

Гидроэнергетика работает именно так: вода в горах находится в состоянии высокой энергии. При открытии шлюзов на плотине вода переходит в более низкое энергетическое состояние в долине. Используя водяное колесо, мы можем использовать эту разницу.

и т.д. и т.п.

Какое это имеет отношение к чему-либо добраться до сути

(Составление нового источника энергии)

Современная физика полна странных полей , которые просто существуют повсюду вокруг нас, ученые только начали экспериментально исследовать некоторые из этих вещей, и существует множество спекулятивных форм того, что мы не знаем, что предполагается существование. Это оставляет много места для изобретения, поскольку все, что вам нужно, — это высокоэнергетическое состояние, средство для перевода его в низкоэнергетическое состояние и механизм, с помощью которого вы сможете использовать разницу . Можно изобрести новое более высокое энергетическое состояние для вещей, новое более низкое энергетическое состояние для вещей или и то, и другое.

Итак, что это значит для построения мира? Некоторые немедленные последствия:

1) Переход от «обычных» вещей к «обычным»: современная физика неплохо справляется с энергетическими состояниями вещей, которые мы видим и чувствуем вокруг себя. Это означает, что если ваше высокоэнергетическое состояние и ваше низкоэнергетическое состояние ОБА связаны с «обычными вещами», то проверить вашу работу будет тривиально . Например, независимо от механизма, который вы используете для использования энергии , реакция «ядерной энергии»: U -> Kr + Baпроизводит фиксированное количество энергии, которое можно рассчитать и не зависит от каких-либо причудливых новых устройств, которые вы задумали. Другими словами, если ваш новый механизм производства энергии выглядит так: Ordinary stuff -> Other ordinary stuff, то вы получите «обычное» количество энергии,

2) Переход от «экзотических» материалов к «обычным». Например, вы можете предположить, что темная материя — это невероятно высокоэнергетическое состояние материи, что существует какой-то источник этого материала, что существует какой-то механизм для преобразования темного превратить материю в «обычную» материю и разработать какое-нибудь устройство, чтобы использовать разницу в энергии. В качестве побочного эффекта вы получите отходы «обычной» материи. Таким образом вы могли бы генерировать практически бесконечное количество энергии.

3) Переход от «обычного» материала к «экзотическому»: вы можете предположить, что темная материя — это невероятно низкоэнергетическое состояние материи. Однако, поскольку начальный энергетический уровень «обычного» вещества известен, таким образом вы можете использовать только ограниченное количество энергии. Верхняя граница равна E=mc^2. Тем не менее, mc^2это чертовски много энергии. OTOH, концепция отрицательной энергии могла бы преодолеть это ограничение.

4) Переход от «экзотики» к «экзотике»: мир — это ваша устрица, но может быть трудно отличить ваш новый источник энергии от магии .

Да
, я буду очень краток в своем ответе: https://en.m.wikipedia.org/wiki/Exotic_matter
. Если вы просматриваете страницу, есть много примеров, и о них много неизвестного. Если вы будете сильно махать руками, возможно, вы сможете использовать один из них.
Изменить: это не обязательно пробелы в периодической таблице. Они больше похожи на расширения того, что мы называем повседневной материей. Их нельзя поместить в периодическую таблицу, какой мы ее знаем.

Как сказал JIm2B, на самом деле не существует обычной, неэкзотической материи, которую можно было бы запихнуть в периодическую таблицу, не нарушая физики, и если вы не создадите остров стабильности, атомы распадаются слишком быстро, чтобы использовать их в качестве реального топлива так, как вам кажется. .

Цель этого сайта не в том, чтобы позволить людям рассказать вам, почему ваша идея невозможна, а в том, чтобы помочь вам понять, как заставить ее работать в вашей истории. Имея это в виду, давайте углубимся в некоторые правдоподобные (звучащие) идеи о природных источниках топлива, которые на данный момент не обнаружены и не созданы на Земле:

• Во- первых, вы, вероятно, могли бы использовать позитроний для чего-то умного. Позитроний состоит из одного электрона, вращающегося вокруг своей античастицы, и, согласно тридцати секундам в Википедии, чрезвычайно распространен, но не был синтезирован в массовом порядке на Земле. Он также очень нестабилен, но, вероятно, его можно хранить с помощью электрических полей и (что еще?) магнитов.
• Во-вторых, тахионная материя (наряду с другими экзотическими частицами) является возможным компонентом двигателя Алькубьерре . Это очень хорошо работает с точки зрения «открытия», поскольку существование тахионов не доказано и они не были синтезированы людьми. С другой стороны, это меньше топлива, поскольку это структурные компоненты, но вы могли бы отмахнуться от этого, сказав, что тахионы, естественно, трудно сдерживать или их необходимо использовать для обеспечения отрицательной плотности энергии в варп-поле. Наконец, у вас не могло быть физических запасов тахионов, ожидающих своей эксплуатации; возможно, их производят определенные виды квазаров или черных дыр?

Или вы могли бы просто использовать антигелий и гелий в качестве реагентов для двигателя антивещества, но это не потребовало бы открытия чего-либо и, что более важно, не доставило бы большого удовольствия.