At bryde reglerne:Tunge kemiske grundstoffer ændrer teorien om kvantemekanik

En række komplicerede eksperimenter, der involverer et af de mindst forståede elementer i det periodiske system, har vendt op og ned på nogle langvarige principper i den videnskabelige verden.

Forskere fra Florida State University fandt, at teorien om kvantemekanik ikke i tilstrækkelig grad forklarer, hvordan de tungeste og mest sjældne elementer, der findes i slutningen af ​​tabellen, fungerer. I stedet, en anden velkendt videnskabelig teori - Albert Einsteins berømte relativitetsteori - hjælper med at styre adfærden af ​​de sidste 21 elementer i det periodiske system.

Denne nye forskning er offentliggjort i Journal of the American Chemical Society .

Kvantemekanik er i det væsentlige de regler, der styrer, hvordan atomer opfører sig og fuldt ud forklarer den kemiske adfærd af de fleste af grundstofferne på bordet. Men, Thomas Albrecht-Schmitt, Gregory R. Choppin professor i kemi ved FSU, fandt ud af, at disse regler er noget tilsidesat af Einsteins relativitetsteori, når det kommer til de tungere, mindre kendte grundstoffer i det periodiske system.

"Det er næsten som at være i et alternativt univers, fordi du ser kemi, du simpelthen ikke ser i hverdagens elementer, " sagde Albrecht-Schmitt.

Studiet, som tog mere end tre år at fuldføre, involverede grundstoffet berkelium, eller Bk på det periodiske system. Gennem eksperimenter, der involverede næsten to dusin forskere på tværs af FSU-campus og FSU-hovedkvarteret National High Magnetic Field Laboratory, Albrecht-Schmitt lavede forbindelser af berkelium, der begyndte at udvise usædvanlig kemi.

De fulgte ikke kvantemekanikkens normale regler.

Specifikt, elektroner arrangerede sig ikke omkring berkelium-atomerne, som de organiserede sig omkring lettere grundstoffer som oxygen, zink eller sølv. Typisk, videnskabsmænd ville forvente at se elektroner på linje, så de alle vender i samme retning. Dette styrer hvordan jern fungerer som en magnet, for eksempel.

Imidlertid, disse enkle regler gælder ikke, når det kommer til grundstoffer fra berkelium og videre, fordi nogle af elektronerne står på linje modsat den måde, videnskabsmænd længe har forudsagt.

Albrecht-Schmitt og hans team indså, at Einsteins relativitetsteori faktisk forklarede, hvad de så i berkeliumforbindelserne. Under relativitetsteorien, jo hurtigere noget med masse bevæger sig, jo tungere bliver det.

Fordi kernen i disse tunge atomer er højt ladet, elektronerne begynder at bevæge sig med betydelige brøkdele af lysets hastighed. Dette får dem til at blive tungere end normalt, og de regler, der typisk gælder for elektronadfærd, begynder at bryde sammen.

Albrecht-Schmitt sagde, at det var "opmuntrende", da han og hans team begyndte at observere kemien.

"Når du ser dette interessante fænomen, du begynder at stille dig selv alle disse spørgsmål som hvordan kan du gøre det stærkere eller lukke det ned, " sagde Albrecht-Schmitt. "For et par år siden, ingen troede endda, at du kunne lave en berkeliumforbindelse."

Berkelium er mest blevet brugt til at hjælpe videnskabsmænd med at syntetisere nye grundstoffer såsom grundstof 117 Tennessine, som blev tilføjet til tabellen sidste år. Men der er ikke gjort meget for at forstå, hvad elementet – eller flere af dets naboer på bordene – alene kan gøre, og hvordan det fungerer.

Energiministeriet gav Albrecht-Schmitt 13 milligram berkelium, cirka 1, 000 gange mere end nogen anden har brugt til store forskningsstudier. For at udføre disse eksperimenter, han og hans hold skulle bevæge sig usædvanligt hurtigt. Elementet reduceres til halvdelen af ​​mængden på 320 dage, på hvilket tidspunkt det ikke er stabilt nok eksperimenter.