metalliske egenskaber forudsagt for astatin

det er et af de mest mystiske af de kemiske grundstoffer. Alle ved, at astatin, element 85, sidder i bunden af halogengruppen, men ingen ved, hvordan det ser ud. Astatin er det sjældneste naturligt forekommende element og har ingen stabile isotoper: den længstlevende har en halveringstid på kun 8,1 timer. Så ingen har nogensinde fået nok af det til at være synligt for det blotte øje. hvis det nogensinde sker, forudsiger nye første principper beregninger offentliggjort i fysiske Gennemgangsbreve, at det vil være et metallisk fast stof. Det er måske ikke så overraskende, da jod, halogen over det i det periodiske bord, i sig selv er et mørkt sølvfarvet fast stof (selvom det ikke er virkelig metallisk selv), og at astatins smeltepunkt er 302oc. Men den virkelige overraskelse ved de nye resultater er, at det faste stof ikke ville være sammensat af diatomiske molekyler, ligesom alle de andre halogener, men ville være monatomisk. Beregningerne blev udført af Andreas Hermann, nu ved University of Edinburgh i Skotland, og veteran teoretikere Roald Hoffmann og Neil Ashcroft fra Cornell University i Ithaca, NY York.teoretisk fysiker Yanming Ma fra Jilin University i Changchun, Kina, der har arbejdet med højtryksfaste faser af de andre halogener, kalder dette ‘et vidunderligt papir.”Forfatterne præsenterer overbevisende beviser for denne overraskende opførsel af fast astatin,’ siger han og tilføjer, at overraskelsen er dobbelt: ‘dens ikke-molekylære form og dens metallicitet ved omgivende tryk.’

denne opførsel ville være let at gå glip af, fordi den kun manifesterer sig, når beregningerne fuldt ud tager højde for virkningerne af særlig relativitet på den elektroniske struktur af de meget tunge atomer: stigningen i effektiv masse af hurtige elektroner tæt på den massive kerne. Sådanne virkninger vides at have betydelige konsekvenser for tunge grundstoffer, hvilket berømt giver guld sin gule farvetone og kviksølv sit lave smeltepunkt.

betydningen af spin-kredsløbskobling

i tæthedsfunktionelle beregninger af den elektroniske struktur af molekyler og materialer er relativistiske effekter almindeligvis opdelt i to komponenter. Den såkaldte skalære tilnærmelse betragter kun virkningerne af elektronernes meget høje hastighed, mens deres energi også påvirkes af spin-kredsløbskobling mellem elektronspin og magnetfeltet skabt af elektronbevægelser omkring kernen. Hermann og kolleger fandt ud af, at en skalar-relativistisk beregning forudsagde en diatomisk jordtilstand for astatin, hvorimod den monatomiske form kun optrådte med spin-orbit-kobling inkluderet. ‘Disse effekter påvirker atomernes tilbøjelighed til at danne visse bindinger og krystalstrukturer, normalt ved at reducere molekylære bindingsenergier,’ siger Hermann. Tidligere beregninger har vist, at astatin i gasfasen stadig ville danne et svagt bundet diatomisk molekyle.

den fuldt relativistiske faste tilstand har ingen båndgab mellem Valens-og ledningselektronerne: det er et metal selv ved omgivende tryk. Faktisk, analogt med højtryksjod, siger forskerne, at astatin måske endda er en superleder.

Element 117, under astatin, blev syntetiseret i 2010 og forventes at opleve endnu stærkere relativistiske effekter. ‘Mit gæt er, at det ville være et svagt bundet monatomisk metal,’ siger Hermann. Men jeg er klar til at blive overrasket.’

om forudsigelserne nogensinde vil blive testet eksperimentelt, er stadig uvist. Astatin skal generelt syntetiseres kunstigt ved nukleare reaktioner – det blev først lavet på denne måde i 1940 af forskere ved University of California i Berkeley. Det er så radioaktivt, at en klump fast astatin ville blive fordampet næsten øjeblikkeligt. Men Hermann forbliver optimistisk. ‘Med aktiv afkøling af underlaget kan man måske stabilisere en tynd film i tilstrækkelig lang tid,’ siger han.

You might also like

Skriv et svar

Din e-mailadresse vil ikke blive publiceret.