Свойства и поведение материи, от горения древесины до действия лекарств, определяются способом соединения химических элементов друг с другом. Для многих из 118 известных элементов сложные электронные структуры атомов, отвечающие за химическую связь, хорошо изучены. Однако для сверхтяжёлых элементов, лежащих на дальнем краю периодической таблицы, измерение даже одного свойства этих экзотических видов является серьёзной задачей.
В новой статье, опубликованной в Nature Communications, группа исследователей, работающих на установке ISOLDE в CERN, описывает новый метод, который может помочь раскрыть химию (сверх)тяжёлых элементов и имеет потенциальное применение в фундаментальных физических исследованиях и лечении.
Сверхтяжёлые элементы
Сверхтяжёлые элементы отличаются высокой нестабильностью и могут быть получены в ускорителях в лабораторных условиях лишь в незначительных количествах. Поэтому исследователи сначала совершенствуют свои методы на стабильных и более лёгких элементах.
Команда ISOLDE разработала новый метод, основанный на ионной ловушке, для точного измерения сродства хлора к электрону, используя гораздо меньше атомов, чем в любом предыдущем эксперименте, и тем самым открыв путь к измерению этого свойства в (сверх)тяжёлых элементах.
Сродство к электрону — это энергия, высвобождающаяся при добавлении электрона к нейтральному атому с образованием отрицательного иона, или «аниона». Это одно из наиболее фундаментальных свойств элемента, определяющее, как он образует химические связи.
Для измерения сродства к электрону обычно используют отправку анионов исследуемого элемента через путь лазерного луча. Затем частоту лазера настраивают, чтобы найти точную энергию фотона, выше которой дополнительный электрон из аниона удаляется, что соответствует сродству к электрону нейтрального атома. Однако для нестабильных (сверх)тяжёлых элементов, которые производятся со скоростью несколько анионов в секунду или меньше, одного прохода анионов через лазерный луч недостаточно для измерения сродства к электрону.
Чтобы преодолеть это ограничение, команда ISOLDE использовала многоионный отражательный аппарат для коллинearной лазерной спектроскопии (MIRACLS). В этой ловушке анионы хлора отражаются между двумя электростатическими зеркалами много раз, подобно шарику для пинг-понга, что позволяет лазерному лучу исследовать анионы во время каждого прохода.
«Несмотря на использование в сто тысяч раз меньшего количества анионов хлора, наш новый метод MIRACLS измеряет сродство к электрону с точностью, соответствующей традиционным методам, в которых анионы проходят через лазерный луч только один раз, по сравнению примерно с 60 000 проходов в нашем эксперименте», — говорит ведущий автор исследования Франциска Майер. «Наш подход, по сути, использует зеркала ловушки для «переработки» анионов, открывая путь к измерениям сродства к электрону в сверхтяжёлых элементах».
Эрих Лейстеншнайдер, второй ведущий автор исследования, добавляет, что свойства сверхтяжёлых элементов могут размыть границы периодической таблицы. «По мере увеличения числа протонов теория относительности Эйнштейна нарушает структуру атомов», — говорит он. «По этой причине можно предположить, что границы между группами элементов в периодической таблице могут стираться, а химия сверхтяжёлых элементов может отклоняться от «нормальных» периодических тенденций. Сродство к электрону — это одно из свойств, на которое эти эффекты окажут значительное влияние, и наши измерения позволят их исследовать».
Применение метода MIRACLS
Помимо проторения пути для измерений неуловимого сродства к электрону сверхтяжёлых элементов, подход MIRACLS может быть применён к редким элементам на Земле, включая актиний, который, как и астатин, является перспективным кандидатом для создания химических соединений для лечения рака. Он также может быть использован для измерения сродства к электрону молекул, предоставляя данные для теоретических расчётов, предсказывающих их электронную структуру. Такие расчёты необходимы для исследований антиматерии и радиоактивных молекул, которые привлекают всё большее внимание как зонды фундаментальных симметрий природы.
Предоставлено CERN.