Исследователи из Университета штата Флорида обнаружили, что теория квантовой механики не может адекватно объяснить, как самые тяжелые и редкие элементы, обнаруженные в конце таблицы, функционируют. Вместо этого другая хорошо известная научная теория — знаменитая теория относительности Альберта Эйнштейна — помогает управлять поведением последних 21 элемента Периодической таблицы.Это новое исследование опубликовано в Журнале Американского химического общества.Квантовая механика — это, по сути, правила, которые управляют поведением атомов и полностью объясняют химическое поведение большинства элементов на столе.
Но Томас Альбрехт-Шмитт, профессор химии им. Грегори Р. Чоппина в бывшем СССР, обнаружил, что эти правила в некоторой степени отменяются теорией относительности Эйнштейна, когда речь идет о более тяжелых, менее известных элементах Периодической таблицы.«Это почти похоже на пребывание в альтернативной вселенной, потому что вы видите химию, которую просто не видите в повседневных элементах», — сказал Альбрехт-Шмитт.
Исследование, на выполнение которого ушло более трех лет, включало элемент берклий, или Bk из Периодической таблицы. В ходе экспериментов с участием почти двух десятков исследователей из кампуса бывшего Советского Союза и Национальной лаборатории сильных магнитных полей со штаб-квартирой в бывшем Советском Союзе Альбрехт-Шмитт создал соединения из берклия, которые начали проявлять необычный химический состав.Они не следовали обычным правилам квантовой механики.В частности, электроны не располагались вокруг атомов берклия так, как они организуются вокруг более легких элементов, таких как кислород, цинк или серебро.
Обычно ученые ожидают, что электроны выстроятся в линию так, что все они будут обращены в одном направлении. Например, это контролирует, как железо действует как магнит.
Однако эти простые правила неприменимы, когда речь идет об элементах из берклия и не только, потому что некоторые из электронов выстраиваются в линию, противоположную тому, как давно предсказывали ученые.Альбрехт-Шмитт и его команда поняли, что теория относительности Эйнштейна фактически объясняет то, что они видели в соединениях берклия. Согласно теории относительности, чем быстрее движется объект, обладающий массой, тем он становится тяжелее.
Поскольку ядра этих тяжелых атомов сильно заряжены, электроны начинают двигаться со скоростью, составляющей значительные доли скорости света. Это заставляет их становиться тяжелее, чем обычно, и правила, которые обычно применяются к поведению электронов, начинают нарушаться.Альбрехт-Шмитт сказал, что это было «воодушевляюще», когда он и его команда начали наблюдать за химией.«Когда вы видите это интересное явление, вы начинаете задавать себе все эти вопросы, например, как сделать его сильнее или остановить», — сказал Альбрехт-Шмитт. «Несколько лет назад никто даже не подумал, что можно сделать соединение берклия».
Берклий в основном использовался, чтобы помочь ученым синтезировать новые элементы, такие как элемент 117 Теннессин, который был добавлен в таблицу в прошлом году. Но мало что было сделано для понимания того, что может делать элемент или несколько его соседей по таблицам и как он функционирует.Министерство энергетики дало Альбрехту-Шмитту 13 миллиграммов берклия, что примерно в 1000 раз больше, чем кто-либо другой использовал для крупных исследований. Чтобы провести эти эксперименты, ему и его команде пришлось действовать исключительно быстро.
Элемент уменьшается вдвое за 320 дней, и в этот момент он не является достаточно стабильным для экспериментов.