Teoria względności przełamuje reguły układu okresowego. Fascynujące efekty relatywistyczne

Gdy elektrony krążą wokół jąder najcięższych pierwiastków tablicy Mendelejewa, ich prędkości zbliżają się do prędkości światła. Zgodnie ze szczególną teorią względności Einsteina masa tak rozpędzonych cząstek relatywistycznie rośnie, co powoduje zacieśnienie ich orbit i silniejsze związanie z jądrem atomowym.
Aparatura TASCA.
Źródło: A. Yakushev

Aparatura TASCA.
Źródło: A. Yakushev

Ta wewnętrzna powłoka znacznie efektywniej ekranuje dodatni ładunek jądra, sprawiając, że elektrony z zewnętrznych, walencyjnych orbitali zostają odepchnięte jeszcze dalej. W rezultacie pierwiastki superciężkie (o liczbach atomowych od 104 do 118) mogą manifestować właściwości chemiczne odmienne od swoich lżejszych odpowiedników z tych samych grup, co stawia pod znakiem zapytania dotychczasową okresowość układu… okresowego.

Zjawisko to znalazło bezpośrednie potwierdzenie doświadczalne w pomiarach stabilności chemicznej związku seaborgu (Sg, pierwiastek 106), opublikowanych na łamach czasopisma Nature. W 6. grupie układu okresowego siła wiązania metal–ligand w kompleksach heksakarbonylowych systematycznie rośnie w dół kolumny: od chromu, przez molibden, aż po wolfram.

Prosta ekstrapolacja sugerowała, że w heksakarbonylku seaborgu Sg(CO)6 wiązanie pomiędzy centralnym atomem a tlenkiem węgla powinno być najtrwalsze. Międzynarodowy zespół pod przewodnictwem grupy z Centrum Badań nad Ciężkimi Jonami GSI/FAIR w Darmstadt oraz Instytutu Helmholtza w Moguncji udowodnił jednak, że trend ten ulega nagłemu załamaniu.

Wiązanie w Sg(CO)6 okazało się słabsze o 4 kJ/mol niż w analogicznym kompleksie wolframu, co pokrywa się wyłącznie z zaawansowanymi obliczeniami chemii kwantowej uwzględniającymi poprawki relatywistyczne.

Eksperyment przeprowadzony na aparaturze TASCA (TransActinide Separator and Chemistry Apparatus) w GSI/FAIR wymagał detekcji zachodzącej atom po atomie, z uwagi na skrajną efemeryczność badanych izotopów.

Badacze wytwarzali seaborg-259 o dwóch stanach jądrowych i czasie połowicznego rozpadu poniżej pół sekundy, syntetyzując dla porównania izotopy wolframu 161 i 162. Pojedyncze atomy po izolacji w separatorze wprowadzano do atmosfery tlenku węgla, a powstające produkty kierowano do dwustopniowego kanału detekcyjnego. Produkty uboczne i formy nielotne osadzały się na pierwszej matrycy detektorów, natomiast lotne heksakarbonylki docierały do drugiego segmentu, schłodzonego do temperatur kriogenicznych umożliwiających adsorpcję i rejestrację rozpadu promieniotwórczego.

W toku pomiarów zarejestrowano łącznie 75 atomów seaborgu, z których zaledwie trzy przekształciły się w lotny kompleks Sg(CO)6. Dla porównania, w identycznych warunkach w heksakarbonylową formę przeszło aż 17 procent wszystkich atomów wolframu. Ta drastycznie niższa wydajność konwersji pozwoliła zespołom kierowanym przez dr. Alexandra Yakusheva oraz prof. Christopha E. Düllmanna z Uniwersytetu Jana Gutenberga w Moguncji precyzyjnie wyznaczyć deficyt energetyczny wiązania szóstego ligandu CO.

Zwieńczyło to trwające dekadę próby zapoczątkowane w japońskim ośrodku RIKEN Nishina Center, gdzie dekadę wcześniej po raz pierwszy zsyntetyzowano ten kompleks. Sukces metody opartej na rejestracji rozpadów pojedynczych cząstek otwiera drogę do pomiarów wiązań chemicznych w związkach jeszcze cięższych pierwiastków transaktynowcowych.

Napisane przez

Monika Wojciechowska

Redaktor
Najbliższe są mi tematy związane z technologią, gadżetami, nowoczesnym AGD i motoryzacją. Interesują mnie rozwiązania, które nie tylko dobrze wyglądają na papierze, ale przede wszystkim realnie wpływają na komfort, wygodę i sposób, w jaki korzystamy z technologii na co dzień. Ukończyłam studia dziennikarskie oraz szkolenia z zakresu sztucznej inteligencji. Prywatnie uwielbiam gry i muzykę.