Η επίλυση ενός χρυσού μυστηρίου

Posted on 11/01/2017

0


Νέοι θεωρητικοί υπολογισμοί γεφυρώνουν τη διαφορά μεταξύ πειράματος και θεωρίας σχετικά με την ενέργεια ιονισμού και την ηλεκτρονική συγγένεια του χρυσού

gold
Στην ερώτηση «γιατί ο χρυσός έχει κίτρινο χρώμα» η απάντηση είναι: «Διότι ισχύει η θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν».

διαβάστε σχετικά: «Η θεωρία της σχετικότητας και ο χρυσός»

To λαμπερό χρώμα του χρυσού είναι το αποτέλεσμα ισχυρών σχετικιστικών φαινομένων. Τα σχετικιστικά φαινόμενα είναι που περιπλέκουν τους θεωρητικούς υπολογισμούς σχετικά με την κατανομή των ηλεκτρονίων γύρω από τον πυρήνα.

Οι θεωρητικοί φυσικοί αγωνίζονται εδώ και δεκαετίες να διαλευκάνουν μια διαφορά ανάμεσα στις θεωρητικές προβλέψεις και τις πειραματικές παρατηρήσεις σχετικά με το άτομο του χρυσού.

Σε μια νέα δημοσίευση ο Peter Schwerdtfeger και οι συνεργάτες του υποστηρίζουν ότι έλυσαν το πρόβλημα, υπολογίζοντας με εκπληκτική ακρίβεια την συνεισφορά των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των ηλεκτρονίων, ενσωματώνοντας στους υπολογισμούς τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ηλεκτρονίων ανά πεντάδες.
[«Relativistic Coupled Cluster Calculations with Variational Quantum Electrodynamics Resolve the Discrepancy between Experiment and Theory Concerning the Electron Affinity and Ionization Potential of Gold», L. F. Pašteka, E. Eliav, A. Borschevsky, U. Kaldor, and P. Schwerdtfeger]

O υπολογισμός των ιδιοτήτων της κατανομής των ηλεκτρονίων γύρω από τον πυρήνα ενός ατόμου δεν είναι εύκολη υπόθεση, ειδικά για τα άτομα με μεγάλο ατομικό αριθμό, των οποίων το ισχυρό δυναμικό Coulomb έχει ως αποτέλεσμα σχετικιστικές ενέργειες για τα ηλεκτρόνια.

Στην περίπτωση του χρυσού τα σχετικιστικά φαινόμενα προκαλούν ένα μικρότερο του αναμενομένου χάσμα μεταξύ των τροχιακών 6s and 5d, εξαιτίας του οποίου ο χρυσός απορροφά τις μπλε συχνότητες και αντανακλά μια κιτρινωπή απόχρωση.

Όμως άλλες ιδιότητες του χρυσού είναι πιο δύσκολο να εξηγηθούν. Οι τιμές που υπολογίζονται θεωρητικά για την ενέργεια ιονισμού (η ενέργεια που απαιτείται για την απόσπαση ενός ηλεκτρονίου) και την ηλεκτρονική συγγένεια (η ενέργεια που απαιτείται για την προσθήκη ενός ηλεκτρονίου), βρίσκονται συστηματικά κάτω από τις πειραματικές κατά δεκάδες μιλι-ηλεκτρονιοβόλτ (meV =10-3 eV).

Οι Schwerdtfeger et al κατάφεραν να πραγματοποιήσουν τους λεπτομερέστερους θεωρητικούς υπολογισμούς μέχρι σήμερα για τον χρυσό. Το θεωρητικό μοντέλο τους υπολογίζει τα σχετικιστικά φαινόμενα στις συνεισφορές των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των ηλεκτρονίων και στην κβαντική ηλεκτροδυναμική.

Οι προηγούμενες μελέτες σχετικά με τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των 79 ηλεκτρονίων στον χρυσό, εξέταζαν μόνο τις αλληλεπιδράσεων των ηλεκτρονίων ανά τριάδες. Στην τωρινή μελέτη οι υπολογισμοί επεκτείνονται σε αλληλεπιδράσεις τετράδων και πεντάδων.
Με τον τρόπο αυτό η θεωρία προσέγγισε τις πειραματικές τιμές της ενέργειας ιονισμού και της ηλεκτρονικής συγγένειας σε μόλις μερικά meV – μια βελτίωση κατά έναν συντελεστή 10, σε σχέση με τα παλαιότερα αποτελέσματα. Η μεθοδολογία αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σε ακόμα βαρύτερα στοιχεία.

πηγή: http://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.118.023002