metalliska egenskaper förutsagda för astatin

det är ett av de mest mystiska av de kemiska elementen. Alla vet att astatin, element 85, sitter längst ner i halogengruppen, men ingen vet hur det ser ut. Astatin är det sällsynta naturligt förekommande elementet och har inga stabila isotoper: den längsta levande har en halveringstid på bara 8, 1 timmar. Så ingen har någonsin fått tillräckligt med det för att vara synligt för blotta ögat. om det någonsin händer, förutspår nya första principberäkningar publicerade i Physical Review Letters att det kommer att vara ett metalliskt fast ämne. Det är kanske inte så förvånande med tanke på att jod, halogenet ovanför det i det periodiska bordet, i sig är ett mörkt silverfärgat fast ämne (men inte riktigt metalliskt själv) och att astatins smältpunkt är 302oc. Men den verkliga överraskningen av de nya resultaten är att det fasta ämnet inte skulle bestå av diatomiska molekyler, som alla andra halogener, men skulle vara monatomiska. Beräkningarna utfördes av Andreas Hermann, nu vid University of Edinburgh i Skottland, och veteranteoretikerna Roald Hoffmann och Neil Ashcroft från Cornell University i Ithaca, New York.

teoretisk fysiker Yanming Ma från Jilin University i Changchun, Kina, som har arbetat med högtrycksfaser av de andra halogenerna, kallar detta ’ ett underbart papper.”Författarna presenterar övertygande bevis på detta överraskande beteende av fast astatin, säger han och tillägger att överraskningen är dubbelt:’ dess icke-molekylära form och dess metallicitet vid omgivande tryck.’

detta beteende skulle vara lätt att missa, eftersom det bara manifesterar sig när beräkningarna tar full hänsyn till effekterna av speciell relativitet på den elektroniska strukturen hos de mycket tunga atomerna: ökningen av effektiv massa av snabbrörliga elektroner nära den massiva kärnan. Sådana effekter är kända för att ha betydande konsekvenser för tunga element, vilket berömt ger guld sin gula nyans och kvicksilver sin låga smältpunkt.

betydelsen av spin orbit coupling

i densitetsfunktionella beräkningar av den elektroniska strukturen hos molekyler och material delas relativistiska effekter vanligen i två komponenter. Den så kallade skalära approximationen betraktar bara effekterna av elektronernas mycket höga hastighet, medan deras energi också påverkas av spin-orbit-koppling mellan elektronspinnningen och magnetfältet som skapas av elektronrörelser runt kärnan. Hermann och kollegor fann att en skalärrelativistisk beräkning förutspådde ett diatomiskt marktillstånd för astatin, medan den monatomiska formen endast uppträdde med spin-orbit-koppling inkluderad. – Dessa effekter påverkar atomernas benägenhet att bilda vissa bindningar och kristallstrukturer, vanligtvis genom att minska molekylära bindningsenergier, säger Hermann. Tidigare beräkningar har visat att astatin i gasfasen fortfarande skulle bilda en svagt bunden diatomisk molekyl.

det helt relativistiska fasta tillståndet har inget bandgap mellan Valens-och ledningselektronerna: det är en metall även vid omgivande tryck. I själva verket, i analogi med högtrycksjod, säger forskarna att astatin till och med kan vara en superledare.

Element 117, under astatin, syntetiserades 2010 och förväntas uppleva ännu starkare relativistiska effekter. – Min gissning är att det skulle vara en svagt bunden monatomisk metall, säger Hermann. ’Men jag är redo att bli förvånad.’

huruvida förutsägelserna någonsin kommer att testas experimentellt återstår att se. Astatin måste i allmänhet syntetiseras konstgjort av kärnreaktioner-det gjordes först på detta sätt 1940 av forskare vid University of California i Berkeley. Det är så radioaktivt att en klump av fast astatin skulle förångas nästan omedelbart. Men Hermann är fortfarande optimistisk. – Med aktiv kylning av underlaget kan man kanske stabilisera en tunn film under tillräckligt lång tid, säger han.

You might also like

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras.