محاسبات ساختاریِ اُگانسون (عنصری با بالاترین عدد اتمی) از توزیع یکنواخت و شبه‌گازیِ الکترون‌ها و هسته‌اش خبر می‌دهد.

جدول تناوبی از زمانی که توسط دمیترف مندلیف در سال ۱۸۶۹ به طور گسترده به رسمیت شناخته شده، در حال گسترش است. تا به امروز بیش از ۷۰۰ نسخه از این جدول وجود داشته [1] که عنصرها متناوباً بر آن اضافه شده و جاهای خالی این جدول را پر کرده است. مثالاً در اواخر سده‌ی ۱۹، یک ستون (گروه) جدید از عناصر بود که گازهای نجیب نامیده شدند که ویلیام رامزی (William Ramsay) برنده‌ی جایزه‌ی نوبل شیمی در سال ۱۹۰۴ آن را کشف کرد [2]. آخرین عنصری که به این ستون اضافه شده اُگانسون (Og) است؛ عنصری با بیشترین عدد اتمی (z=118) [3]. این عنصرِ جدید و جالب توجه که برای اولین بار در سال ۲۰۰۲ سنتز شده، ردیف هفتم را تکمیل کرده (7p) و اولین عنصر گازی نجیب و فوق‌سنگین (z˃103 z) بحساب می‌آید.

چالشی که بر سر راه درک اُگانسون و دیگر عناصر فوق‌سنگین وجود دارد، نیمه‌عمر کوتاه و آهنگ تولید پایین آن‌هاست. اُگانسون نیمه‌عمری در حدود ۱ میلی ثانیه دارد که برای اغلب مشاهدات شیمیایی کافی نیست. در عوض پژوهش‌گران بایستی بر محاسبات اتمی اتکا کنند تا ویژگی‌های اساسی چنان عنصر کوتاه‌عمری را معلوم سازند. پال جرابک (Paul Jerabek) از دانشگاه ماسلی اوکلندِ نیوزیلند و همکارانش، برای اولین اتم‌های فوق‌سنگین، از جایگزیدگی فرمیونی استفاده کرده‌اند؛ روشی معمول برای تصویرسازی توزیع فضایی الکترون یا نوکلئون‌ها؛ تا ساختاری درونی اُگانسون را توصیف کنند [4]. آن‌ها دریافتند که هم الکترون‌‌ها و هم نوکلئون‌ها توزیع یکنواختی دارند که در تضاد کامل با ساختار پوسته‌ایه غیریکنواخت است که در عناصر سبک‌تر دیده شده است. این مشاهدات پیشنهاد می‌دهند که اُگانسون ویژگی‌های شیمیایی و فیزیکی دارد که با آن‌چه در مورد عناصر گازی نجیب دیده شده بسیار متفاوت است.

مدت زمان زیادی است ثابت شده که مشخصات عناصر در جدول تناوبی با افزایش عدد اتمی به شکل چشم‌گیری تغییر پیدا می‌کند. برای مثال عناصر سنگین، انقباض لانتانیدها را تجربه می‌کنند. این پدیده منقبض‌شدن شعاع اتمی به دلیل پوشی است که الکترون‌های پوسته‌ی داخلی بر روی الکترون‌های پوسته‌ی خارجی وارد می‌کنند. با افزایش عدد اتمی، اثر نسبیت نیز اهمیت می‌یابد چون الکترون‌های پوسته‌ی داخلی سریع‌تر حرکت می‌کنند تا از افتادن بر روی هسته‌های بسیار باردار پرهیز کنند. این عامل در اثر ظهور ویژگی‌های شیمیایی و فیزیکی عناصر نیمه‌ی پائینی‌ِ جدول تناوبی اثر چشم‌گیری دارد؛ مشهورترین مثال آن طلاست که رنگش در نتیجه‌ی اثرات نسبیتی‌ است [5] و نقطه‌ی ذوب بسیار پایین جیوه را می‌توان به اثر نسبیت مربوط ساخت [6].

رفتارهای دیگری نیز برای عناصر سنگین نیز وجود دارند که پیش‌بینی شده‌ اما هنوز مشاهده نشده‌اند. برای مثال فرضیه‌ای مطرح است که بر اساس آن گذاری در توزیع الکترون‌های حول هسته اتفاق خواهد افتاد. برای بسیاری از عناصر، الکترون‌ها در درون پوسته‌های ویژه‌ای قرار دارند که با نوارهای کم‌چگال از هم جدا شده‌اند. انتظار می‌رود با افزایش تعداد الکترون‌ها، به توزیعی شبیه یک گاز توماس-فرمی هموار شوند؛ چیزی که یک گاز فرضیِ با چگالی یکنواخت است که بر اساس یک مدل مکانیک کوانتومی از جفت‌شدگی الکترون‌هاست. انتظار می‌رود گذار مشابهی (از ساختار پوسته‌ای به توزیع شبه‌گازی) در هسته‌ی عناصر سنگین اتفاق افتد.

جرابک و همکارانش ساختار الکترونی و هسته‌ایِ اُگانسون را کاویده‌اند که شامل گستره‌ای از جایگزیدگی‌هاست. مثلاً برای تحقیق در مورد چگالی الکترونی این تیم نیاز داشتند تا اندرکنش الکترون-الکترون را بررسی کنند که در آن ممان زاویه‌ای اسپینی و ممان زاویه‌ای اربیتالی برای هر الکترون اندرکنش داشته و به ممان زاویه‌ای کل برای اتم مربوط است. برای مثال با z˂30 این محاسبات را می‌توان با تعیین جداگانه‌ی ممان زاویه‌ای اربیتالی (L) و ممان زاویه‌ای اسپینی (S) و سپس ترکیب این دو جمله به یک تک‌اندرکنش (LS یا جفت‌شدگیِ راسل-سادنرز( ساده‌سازی کرد.

در عوض برای عناصر سنگین، جفت‌شدگی ممان زاویه‌ای اسپینی و ممان زاویه‌ای اربیتالی برای تمامی الکترون‌ها اهمیت بیشتری می‌یابد. این موضوع سبب پیچیده‌تر شدن ساختار الکترونی می‌شود همان‌طور که گذارهای بسیاری در طیف الکترونی عناصر سنگین دیده شده است. برای تشکیل ممان زاویه‌ای کل برای اتم، ابتدا ممان زاویه‌ای کل برای هر الکترون بررسی می‌شود (جفت‌شدگی jj). جرابک و همکارانش اثر گذار را از جفت‌شدگی LS به جفت‌شدگی jj در اُگاسون بررسی کرده‌اند. این محققان برای محاسبات ساختار الکترونی از معادله‌ی مکانیک کوانتومیِ دیراک بجای معادله‌ی غیرنسبیتیِ شرودینگر استفاده کرده‌اند. رهیافت دیراک اندرکنش‌های اسپین-مداری (جفت‌شدگی jj) و دیگر اثرات نسبیتی را حساب می‌کند.

این تیم برای جستجوی ساختار پوسته‌ای به جایگزیدگیِ فرمیون پرداخته‌اند [7] که رهیافتی مفید در درک رفتار کوتاه‌برد و جداشدگی‌های پوسته‌ای به حساب می‌آيد. جایگزیدگی‌های فرمیونی بر اساس احتمال یافتن دو ذره هم‌نوع نزدیک به هم، پایه‌گذاری شده است. جرابک و همکارانش دو نقشه‌ی ساختاری با جایگزیدگی‌های فرمیونی تولید کرده‌اند: یکی برای سیستم‌های الکترونی (که تابع جایگزیدگیِ الکترونی یا ELF نامیده می‌شود) و یکی برای سیستم‌های هسته‌ای (که تابع جایگزیدگی هسته‌ای یا NLF نامیده می‌شود). این کار ابتدائی‌ترین کاربردهای جایگزیدگی فرمیونی در یک عنصر فوق‌سنگین را نشان می‌دهد.

پژوهش‌های حاصل از این محاسبات مقدار بالای غیرعادی را برای جفت‌شدگی اسپین-مدار نشان می‌دهد و اثر بسیار چشم‌گیر اثرات نسبیتی را در ساختار پوسته‌ای با مقایسه‌ی نقشه‌نگاری ELF  برای اُگاسون نسبت به گازهای نجیب سبک‌تر (زنون و ازدون) را به اثبات می‌رساند. تاثیر اثرات نسبیتی بر روی زنون و رادون، برخلاف اُگاسون، محدود است که در آن این اثر به شکل چشم‌گیری غیرعادی است (شکل یک را ببینید). ساختار پوسته‌ی اتمی اُگاسون به سختی قابل تشخیص است که در آن پوسته‌ها به شکل یک گاز الکترونی همگن درآمده است. چنان‌چه محاسبات NLF برای ساختار هسته‌ای ایزوتوپ اُگاسون (³⁰²Og) جایگزیدگی کاهیده‌ای را در مقایسه با محاسبات NLF برای هسته‌های سبک‌تر( ¹³²Sn) در این مطالعه نشان می‌دهد. این با یافته‌های پیشین [8] تطابق دارد که تغییرات را در ساختار پوسته‌ای هسته‌ای عناصر سنگین نشان می‌دهد که به دلیل چگالی بالا و دافعه‌ی الکترواستاتیکی بزرگ بین پروتون‌ها است. به وضوح این پژوهش‌گران با افزایش عدد اتمی، گذاری را به یک گاز توماس-فرمی، هم در جایگزیدگی الکترونی و هم هسته‌ای به اثبات رسانده‌اند.

اُگاسون یک عنصر گاز نجیب کاملاً غیرعادی است. علاوه بر جفت‌شدگی اسپین-مداری بسیار بزرگ و ساختار پوسته‌ای یکتا، پژوهش‌گران مشخص کرده‌اند که اُگاسون قطبش‌پذیری دوقطبی و الکترون‌خواهی مثبت نسبتاً بزرگی دارد. از این نکته آن‌ها پی‌برده‌اند که اُگاسون بایستی اندرکنش‌های واندروالس بیشتری در مقایسه‌ی با عناصر گازی نجیب سبک‌تر داشته باشد. این نگرش‌های مهم درباره‌ی ساختار پوسته‌ای الکترونی و هسته‌ای اُگانسون راهی را به سوی جست‌وجوهای نظری بیشتر بر ویژگی‌های غیرعادی‌اش باز می‌کند. این نتایج قابل‌توجه ممکن است تجربی‌کاران را به توسعه‌ی ابزارها و آزمایش‌هایی برای مطالعات بیشتر درمورد ویژگی‌های شیمایی و فیزیکی عناصر فوق‌سنگین تشویق کند.

این پژوهش در مجله فیزیکال ریویو لترز انتشار یافته است.

منابع:

1. E. R. Scerri, The Periodic Table: Its Story and Its Significance (Oxford University Press, New York, 2007)[Amazon][WorldCat].
2. See, e.g., “The History of the Periodic Table,” Royal Society of Chemistry, http://www.rsc.org/education/teachers/resources/periodictable.
3. Y. T. Oganessian et al., “Synthesis of the Isotopes of Elements 118 and 116 in the 249Cf249Cf and 245Cm245Cm + 48Ca48Ca Fusion Reactions,” Phys. Rev. C 74, 044602 (2006).
4. P. Jerabek, B. Schuetrumpf, P. Schwerdtfeger, and W. Nazarewicz, “Electron and Nucleon Localization Functions of Oganesson: Approaching the Thomas-Fermi Limit,” Phys. Rev. Lett. 120, 053001 (2018).
5. P. Pyykkö, “Theoretical Chemistry of Gold. III,” Chem. Soc. Rev. 37, 1967 (2008).
6. F. Calvo, E Pahl, M. Wormit, and P. Schwerdtfeger, “Evidence for Low-Temperature Melting of Mercury Owing to Relativity,” Angew. Chem. 52, 7583 (2013).
7. A. D. Becke and K. E. Edgecombe, “A Simple Measure of Electron Localization in Atomic and Molecular Systems,” J. Chem. Phys. 92, 5397 (1990).
8. M. Bender, W. Nazarewicz, and P.-G. Reinhard, “Shell Stabilization of Super- and Hyperheavy Nuclei without Magic Gaps,” Phys. Lett. B 515, 42 (2001).

درباره‌ی نویسنده:

آنجلا کی.ویلسون استاد برجسته‌ی شیمی در دانشگاه ایالتی میشیگان است.

منبع:

Heaviest Element Has Unusual Shell Structure