Najcięższe z pierwiastków wolą teorię względności od mechaniki kwantowej
Seria skomplikowanych badań i eksperymentów, podczas których pod lupę wzięto jedne z najmniej zbadanych pierwiastków tablicy okresowej, przewraca do góry nogami dotychczasowe prawdy naukowe. Badacze z Florida State University donoszą, że prawa mechaniki kwantowej w niewystarczający sposób wyjaśniają zachowanie najcięższych i najrzadszych ze znanych pierwiastków. Procesy zachodzące w 21 ostatnich pierwiastkach tabeli okresowej lepiej wyjaśnia za to teoria względności Einsteina.
Mechanika kwantowa pozwala nam zrozumieć, w jaki sposób zachowują się atomy i w pełni wyjaśnia prawa rządzące większością pierwiastków. Jednak profesor Thomas Albrecht-Schmitt z FSU zauważył, że zachowaniem najcięższych pierwiastków rządzi raczej ogólna teoria względności. To tak, jakby nagle znaleźć się w alternatywnym wszechświecie, gdyż chemia tych pierwiastków jest odmienna od tego, co obserwujemy w innych pierwiastkach – mówi uczony.
Badania zajęły uczonemu i jego kolegom ponad 3 lata. Naukowcy skupili się na berkelu i przeprowadzali różne reakcje chemiczne z jego udziałem. Zaobserwowali, że nie podlegają one standardowym zasadom mechaniki kwantowej.
Najważniejszym odstępstwem od normy był fakt, że elektrony nie organizowały się samodzielnie wokół atomu berkelu w taki sposób, w jaki organizują się wokół atomów innych pierwiastków. Zwykle elektrony krążące wokół atomów układają się w konfiguracje opisywane przez mechanikę kwantową. Jednak Albrecht-Schmitt i jego koledzy odkryli, że w przypadku najcięższych pierwiastków zachowania elektronów nie można wyjaśnić na polu mechaniki kwantowej. Naukowcy z Florydy zdali sobie sprawę, że zachowanie to można lepiej wyjaśnić na gruncie teorii względności i opisywanej przez nią zależności masy i prędkości.
Berkel jest używany głównie do syntetyzowania innych pierwiastków, takich jak dodany niedawno do tablicy okresowej pierwiastek 117 tennesine. Dotychczas jednak prowadzono niewiele badań nad zrozumieniem samego berkelu i kolejnych pierwiastków. Profesor Albrecht-Schmitt mógł przeprowadzić swoje badania dzięki temu, że otrzymał od Departamentu Energii aż 13 miligramów berkelu. To naprawdę olbrzymia ilość. Wystarczy wspomnieć, że to niemal 1000-krotnie więcej niż użyto w jakichkolwiek wcześniejszych badaniach, a w ciągu ostatnich 50 lat na całym świecie zsyntetyzowano mniej niż 1 gram berkelu. Uczeni musieli się bardzo spieszyć. Okres półrozpadu berkelu wynosi zaledwie 320 dni, więc ilość dostępnego pierwiastka szybko się zmniejszała.
Komentarze (8)
ex nihilo, 4 października 2017, 13:17
Trochę to wszystko nie tak, ale nie mam teraz czasu, tylko zasygnalizuję:
1. efekty relatywistyczne w QM to nic nadzwyczajnego, zajmuje się tym np. QFT
2. nie "stają się cięższe" - masa relatywistyczna to nie to samo, co "ciężar"
3. "po tym czasie traci stabilność" - nieprawda, cały czas jest tak samo niestabilny, tylko po 320 dniach z 13 miligramów zostanie 6,5, a reszta to będzie atomowy śmietnik po rozpadzie
4. "wszystkie elektrony są skierowane w tą samą stronę"... to nie tak.
5. coś tam jeszcze, ale muszę spadać spod kompa. Pewnie Astro zajrzy, to załatwi sprawę
Jajcenty, 4 października 2017, 15:19
Pewnikiem chodzi o spin.
No niby tak, ale ja ten artykuł rozumiem tak: lepiej opisać atom Berkelu modelem planetarnym - klasyczne kulki latające wokół jądra niż funkcjami gęstości pdp. Rutherford miał rację?
Mariusz Błoński, 4 października 2017, 15:45
Trochę tutaj zmieniłem. Mam nadzieję, że teraz tekst jest bez błędów
thikim, 4 października 2017, 18:11
Ja się tylko zastanawiam czy jesteśmy w stanie obliczyć jak zgodnie z mechaniką kwantową powinny się zachowywać elektrony przy atomach berkelu
ex nihilo, 4 października 2017, 21:13
Tak, jest dużo lepiej. Może jeszcze z tą "zależnością masy i prędkości" by coś... ale może i niech tak zostanie.
Masę relatywistyczną powinienem wsadzić między uszy "". W zasadzie w przypadku QM i GR w ogóle najlepiej byłoby unikać pojęcia masa, wygodniejszy jest energopęd, czyli całkowita energia układu, suma przeliczonej na energię masy spoczynkowej i wszystkich rodzajów energii. W QM siedzi to w hamiltonianie, a w GR w tensorze energopędu, tyle że w przypadku QM "przelicza się" to na energię, a w GR na masę. Zabawowo i obrazowo łącząc GR i QM można by powiedzieć, że masa czarnej dziury = hamiltonian czarnej dziury.
Dobrze by chyba było przenieść temat piętro niżej
Nie całkiem tak. Mamy tu sytuację jak w akceleratorze elektronów: Na wejściu wrzucamy kwantowego gluta elektronów, a na wyjściu wylatuje nam wiązka prawie klasycznych elektronowych "kulek". Opisuje to relatywistyczna QM, a wygodniej i dokładniej QFT (to też jest QM). Jądro atomu berkelu działa jak taki akcelerator - ma bardzo duży ładunek elektryczny, kiedy złapie sobie elektronowego glutka, rozpędza go do prędkości porównywalnej z c i robi z niego nieźle zlokalizowaną "kulkę". Inaczej: w tak silnym polu EM hamiltonian elektronu rośnie wykładniczo i wygodniejszy staje się opis klasyczno-relatywistyczny, niż czysto kwantologiczny. Nie ma tu jakiejś ścisłej granicy, to się przenika, można albo tak, albo tak, jak akurat wygodniej. Nie miałem czasu poszukać oryginału i zajrzeć do niego, ale prawdopodobnie sprawa dotyczy tylko części elektronów, tych najbardziej "zewnętrznych", z największą energią, w chemii one mają podstawowe znaczenie.
Oczywiście i w akceleratorze, i w atomie, te elektrony podlegają wszystkim efektom relatywistycznym, stąd ten "przyrost masy".
Teoretycznie w zasadzie tak, praktycznie niewykonalne, zbyt skomplikowane. Dlatego zresztą było takie zaskoczenie.
Ergo Sum, 4 października 2017, 23:05
Jakoś mnie to nie zdziwiło. W końcu zawsze się mówiło że mechanika kwantowa działa w każdej skali, tylko wraz z "rozmiarem" wykładniczo rośnie trudność obliczenia, więc stosuje się uproszczone teorie - aż do takich, których uczą się dzieci w podstawówce. Z kolei w drugą stronę rośnie potrzeba dokładności pomiarów co powoduje że w pewnym momencie bardziej opłaca się używać obliczeń kwantowych.
ex nihilo, 5 października 2017, 00:41
No nie, a nawet odwrotnie
Jeśli do hamiltonianu jako m0 wrzucę kilogram, to nawet ołówka wyciągać nie muszę, bo wynik podam Ci od razu - ewolucja układu będzie klasyczna z poprawkami gdzieś w okolicach 30. miejsca po przecinku 
Problemem jest co innego: ilość oddziałujących z sobą elementów układu. To jest całkiem podobne do problemu wielu ciał w fizyce klasycznej czy GR - skomplikowanie obliczeń rośnie wykładniczo z ilością tych elementów, a do tego równania stają się silnie nieliniowe, czyli minimalna różnica w danych na wejściu może spowodować dowolnie dużą różnicę na wyjściu (wynik). Dlatego wyliczenie "orbit" elektronów w atomie berkelu jest praktycznie niewykonalne, niezależnie zresztą od tego czy będzie się to robić kwantowo czy klasycznie. Oczywiście stosuje się różne sztuczki, żeby dostać przybliżone wyniki (raczej jakościowe niż ilościowe), które można później korygować doświadczalnie. I tak dalej, aż do skutku. I właśnie taka zabawa umożliwiła stwierdzenie odchyleń zachowania elektronów w Be od przewidywań QM.
thikim, 5 października 2017, 17:14
A ja dalej zwrócę uwagę że jeśli stosowano różne sztuczki żeby policzyć coś co jest praktycznie niepoliczalne to nic dziwnego że doświadczenie musiało to zweryfikować
Ale to nie wada teorii tylko jej praktycznego zastosowania.
Wszystko możemy policzyć w teorii w kategoriach prawdopodobieństwa ale dla nawet niezbyt skomplikowanych układów jest to zbyt trudne. Można oczywiście kombinować ale to nie musi się zawsze udawać.