Mezinárodnímu týmu fyziků se pomocí počítačových simulací podařilo předpovědět atomovou strukturu nejtěžšího chemického prvku. Výpočty však zároveň naznačily, že oganesson – jak se prvek nazývá – je ještě daleko záhadnější, než se čekalo.
V roce 2002 vytvořil rusko-americký tým poprvé atom oganessonu. Fyzikální a chemické vlastnosti tohoto prvku se však dosud nedařilo spolehlivě určit. Už jen připravit jeho atom je samo o sobě velmi obtížné, natož tento prvek zkoumat. Oganesson má totiž velmi krátký poločas rozpadu, který trvá pouhou jednu mikrosekundu.
Oganesson je transuran s protonovým číslem 118. V roce 2006 oznámily spolupracující týmy fyziků ze Spojeného ústavu jaderných výzkumů v Dubně a z Lawrence Livermore National Laboratory v Kalifornii objev čtyř jeho jader. Oganesson byl potvrzen pomocí alfa rozpadu a pojmenován na počest jaderného fyzika Jurije Oganessjana. Současně byly objeveny i další tři prvky 7. periody periodické tabulky.
Bez ohledu na nestabilitu způsobenou radioaktivitou, vědci předpokládají, že oganesson má následující vlastnosti: je zřejmě reaktivnější než xenon nebo radon a tvoří stabilní oxidy, chloridy nebo fluoridy. Vzhledem k odlišné spin-orbitální vazbě a unikátní struktuře obalu se předpokládá vysoká dipólová polarizovatelnost a pozitivní elektronová afinita. Provedené relativistické kvantově-mechanické výpočty však zároveň ukazují, že oganesson má již natolik vysoké protonové číslo, že vzhledem k velikosti obalu začíná ve spin-orbitální interakci převažovat vazba JJ nad vazbou LS. Klasický popis uspořádání obalu do slupek a orbitalů již není přesný, jeho struktura je bližší Fermiho elektronovému plynu.
Mezinárodní tým fyziků soustředěný na novozélandské Massey University a univerzitě v Michiganu teď předpověděl atomovou strukturu oganessonu pomocí počítačových simulací. Výpočty struktury jádra atomu i elektronových obalů vzaly v úvahu zákony kvantové mechaniky i teorie relativity. Vědci objevili velmi překvapující vlastnosti, které u lehčích prvků nebyly nikdy předtím pozorovány.
Jak elektrony, tak i protony a neutrony v jádře oganessonu jsou uzavřeny v obalu. Tyto obaly se dají popsat použitím fermionových lokalizačních funkcí, které mapují hustotu elektronů a nukleonů. Pro lehčí atomy tyto výpočty odhalí elektronové slupky, které jsou husté a jasně oddělené pásy s nízkou hustotou. V těžších atomech jsou výpočty mnohem složitější.
Tým použil fermionové lokalizační funkce k simulaci exotických struktur, které – jak vědci doufají – by mohly být nalezeny v oganessonu. Fyzici předpokládají, že silné elektrostatické síly, vznikající v důsledku vysoce kladně nabitého jádra, by mohly způsobit, že se elektronové energetické pásy překrývají a elektronový obal je hůře definovatelný. Elektrony procházející blízko jádra se musí pohybovat rychleji, aby unikly elektrostatické síle, a vyžadují uvažování relativistických efektů.
Aby mohli fyzici tyto efekty započítat, vytvořili pro simulaci elektronovou lokalizační funkci, což je modifikovaná forma fermionové lokalizační funkce. Použitím těchto funkcí porovnali elektronové struktury lehčích vzácných plynů xenonu a radonu se strukturami oganessonu. Zjistili, že rozlišení mezi elektronovými slupkami je téměř nepozorovatelné, elektrony tvoří elektronový plyn rovnoměrné hustoty, který obklopuje jádro. To způsobuje, že oganesson je vysoce polarizovatelný, takže mezi atomy působí silné Van der Waalsovy síly.
Fyzici předpokládají, že elektrostatické síly mezi protony, kombinované se silami od obíhajících elektronů, budou uvnitř jádra oganessonu působit proti silné jaderné síle, která drží jádro pohromadě. Tyto efekty podle vědců překryjí jasně definovanou strukturu atomového obalu. Aby mohli popsat tyto neobvyklé vlastnosti, fyzici definovali zvláštní jadernou lokalizační funkci. Potom znovu mapovali strukturu jádra oganessonu a porovnali ji s jádry xenonu a radonu. Podobně jako v případě elektronů, supertěžké jádro tvoří plyn protonů a neutronů rovnoměrné hustoty.
Práce reprezentuje podstatný přínos k porozumění atomové struktury supertrěžkých prvků a mohla by inspirovat nový teoretický výzkum v oblasti zvláštních fyzikálních a chemických vlastností prvků u dna periodické tabulky. Pokud se zdokonalí technologie, může také pomoci experimentálním fyzikům vytvářet nástroje pro měření vlastností supertěžkých atomů.
Simulace jsou popsány v Physical Review Letters.
Mohlo by vás zajímat:
Letadla
inspirovaná žraločí kůží
Vodíkový
plyn byl v raném vesmíru chladnější, než se předpokládalo. Podle vědců
za to může temná hmota
Úroda
pistácií podle Isingova modelu
Neutronová
anomálie může objasnit existenci temné hmoty