Теоретики решили задачу о релятивистской неметалличности золота

Теоретики решили задачу о релятивистской неметалличности золота

Физики из Новой Зеландии, Словакии, Голландии и Израиля добились рекордной точности предсказания электронных свойств атома золота с помощью методов квантовой химии. Ученые предсказали значение электронного сродства и первого потенциала ионизации с точностью в единицы миллиэлектронвольт — на порядок лучше, чем в предыдущих работах. Сложность расчетов связана с релятивистскими энергиями электронов золота, требующих поправок из области специальной теории относительности. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, кратко о нем сообщает Physics.

Современные методы квантовой механики позволяют с большой точностью вычислить электронные свойства небольших атомов — для водорода расхождение между теоретическими расчетами и экспериментальными данными составляет триллионные доли электронвольта, для большинства ионов с небольшим количеством электронов — порядка тысячных долей электронвольта. Однако с движением вниз по таблице Менделеева сложность расчетов возрастает. В частности, появляется важный фактор — релятивистское сжатие. Из-за высокого заряда ядра атома внешние электроны обладают кинетической энергией, которая соответствовала бы околосветовым скоростям. Это, в свою очередь, требует специальных поправок, которые грубо можно описать как кажущееся увеличение массы электрона и уменьшение «радиуса» его орбитали.

Эти поправки приводят к серьезным изменениям в свойствах материалов, с которыми можно встретиться в повседневной жизни. К примеру, благодаря релятивистским эффектам золото и цезий — желтые, а ртуть — жидкая. Кроме того, эти эффекты сказываются на химических свойствах веществ: сродство («стремление») золота к электрону оказывается сопоставимым с таковым у типичных неметаллов — галогенов. Из-за этого оказываются стабильными ауриды щелочных металлов, в которых ионизированное отрицательно заряженное золото играет роль аниона (как хлор в хлориде натрия).

Попытки теоретически описать такое большое сродство к электрону дают результаты, не совпадающие с экспериментом. Ошибка расчетов составляет сотые и даже десятые доли электронвольта (экспериментально определенное сродство составляет 2,3086 электронвольта). Авторы новой работы увеличили точность расчетов и добились расхождения между теорией и экспериментом в тысячные доли электронвольта. 

В своих расчетах физики использовали метод связанных кластеров, учитывающий корреляции между пятерками электронов оболочки атома и возбужденные состояния этих кластеров. До этого в расчете учитывались лишь пары и тройки электронов. Расширение до четверок и пятерок соответствовало значительному увеличению вычислительной сложности задачи. Кроме того, авторы учитывали вклады эффектов квантовой электродинамики, например, лэмбовский сдвиг, вызванный квантовыми флуктуациями вакуума. Его величина оказалась около 26 миллиэлектронвольт.

В результате физикам удалось вычислить потенциал ионизации золота (энергия, необходимая для отрыва электрона) с ошибкой в 3,2 тысячных электронвольта, а энергию сродства к электрону — с ошибкой в 1,4 тысячных электронвольта. 

Релятивистские эффекты проявляются не только на атомарном уровне. К примеру, как выяснила международная группа физиков при участии российских ученых, они могут влиять на свойства сверхпроводников. Более известными проявлениями эффектов уже общей теории относительности является прецессия орбиты Меркурия и потребность вводить поправки при определении положений спутников на околоземных орбитах. 

Владимир Королёв

N+1

Похожие новости:
Геофизики решили вековую задачу
Геофизики из Канады, России и Швеции решили вековую задачу — ученые объяснили, когда и каким образом древние суперконтиненты Колумбия и Родиния объединились. Исследование авторов опубликовано в журнале Nature Geoscience, кратко о нем сообщается на сайте Вайомингского университета (США).«В этом ..
2016-04-13 1321 0 Научные открытия
0
Путин поставил задачу увеличить расходы на науку до 2,5 % ВВП
Президент России Владимир Путин поставил задачу увеличить расходы на науку до 2,5 проц ВВП, как в США. "Мы ставим задачу уже к 2015 году довести планку расходов на научные исследования и разработки, в том числе за счет привлечения частных инвестиций, до уровня порядка 1,8 проц ..
2012-05-23 936 0 Научные открытия
0
Черные дыры оказались способными к ядерному синтезу
Физики-теоретики установили, что в аккреционных дисках черных дыр могут проходить реакции синтеза ядер лития-7. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters, а ее краткое содержание приводит сайт Американского физического общества. Теоретики из Стокгольмского университета и Технической школы Мюнхена моделировали ..
2012-07-16 961 0 Научные открытия
0
Решена полувековая задача гидродинамики
Математики и физики из Италии, США, Германии, Финляндии и Японии решили гидродинамическую задачу полувековой давности. Теоретические результаты ученые продемонстрировали в ходе экспериментов, видео которых доступно на YouTube. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, кратко о нем сообщает ..
2016-10-06 1815 0 Научные открытия
0
Ученые изучили наночастицы под высоким давлением
Высоко когерентное рентгеновское излучение от источников синхротронного типа может быть использовано для визуализации структуры наноматериалов. При этом может быть получено пространственное изображение 3-D высокого качества с погрешностью, не превышающей нескольких десятков нанометров.С помощью монохроматического, жесткого рентгеновского ..
2013-04-10 1054 0 Научные открытия
0
Американские физики научились получать небывалую температуру
Американские физики попали в Книгу рекордов Гиннесса. Во время эксперимента им удалось получить вещество, разогретое до 4 триллионов градусов Цельсия — это в 250 тысяч раз больше, чем температура в центре Солнца! Учёные сталкивали в коллайдере разогнанные почти до скорости света ядра атомов золота. ..
2012-06-26 2723 0 Научные открытия
1
Впервые получено реальное изображение ДНК
В 1953 году Джеймс Уотсон и Френсис Крик установили, что структура ДНК представляет собой двойную спираль. Учёные определили это, используя данные рентгеноструктурного анализа, полученные Морисом Уилкинсом и Розалиндой Франклин. Этот метод анализа основан на дифракции рентгеновских лучей на трёхмерной ..
2012-12-2 2644 0 Научные открытия
0
Физики представили альтернативу бозону Хиггса
Физики-теоретики предложили несколько альтернативных объяснений результатам, полученным на Большом адронном коллайдере (БАК). 4 июля 2012 года во время открытого семинара в CERN (организация, курирующая БАК) были представлены результаты коллабораций CMS и Atlas, из которых следовало, что физикам удалось ..
2012-07-11 1477 0 Научные открытия
-1
Физики придумали первый танцующий кристалл
Физики-теоретики из Канады и США спрогнозировали существование кристалла, элементы которого находятся в непрерывном движении. Последнее обусловливает их свойства симметрии, получившие название хореографического порядка. Результаты своих исследований авторы опубликовали в журнале Physical Review Letters, а кратко о них сообщает Physics.Обычные ..
2016-01-12 1243 0 Научные открытия
1
Физики описали испарение черной дыры в нульмерные объекты
Физики-теоретики из США и Японии в рамках теории суперструн типа IIA качественно описали испарение крупной холодной черной дыры. Посвященный исследованию препринт авторы опубликовали на сайте arXiv.org.В использованном учеными микроскопическом подходе холодная черная дыра испаряется в свободно распространяющиеся ..
2016-03-20 1724 0 Научные открытия
1
Стивен Хокинг предложил новое описание черных дыр
Физики-теоретики Стивен Хокинг, Малкольм Перри и Эндрю Строминжер предложили расширить классическое описание черных дыр. Препринт статьи имеется в распоряжении редакции «Ленты.ру».В рамках формализма Арновитта-Дезера-Мизнера, популярного при попытках квантового рассмотрения пространства-времени вблизи черных дыр, ..
2016-12-01 2805 0 Научные открытия
0
Математики придумали алгоритм поиска источников загрязнения
Французские математики предложили алгоритм, который позволяет выявлять местоположения источников загрязнения по данным о загрязнении конкретных областей. Статья ученых появилась в журнале Inverse Problems. В рамках работы ученые рассмотрели так называемую обратную задачу - достаточно широкий класс ..
2012-06-27 1101 0 Научные открытия
2
Представлена новая теория образования черных дыр
Черные дыры в центре карликовых галактик являются семенами, растущими в центре нашего Млечного пути и в других крупных галактиках, чья масса превышает массу нашего солнца в тысячи раз. К такому выводу пришли астрофизики, результаты исследования которых опубликованы ..
2014-03-31 1597 0 Научные открытия
0
Российские физики «научили» сверхпроводники управлять магнитным полем
Сверхпроводимость, которая почти несовместима с магнитным полем, может при определенных условиях способствовать его распространению, выяснили российские ученые. Устройства на базе этого эффекта могут приблизить эпоху компьютеров будущего — спинтронных вычислительных машин. Результаты исследования опубликованы в журнале ..
2015-10-05 1172 0 Научные открытия
0
Солнечная система оказалась фабрикой тяжелых изотопов
Ученые доказали, что на ранних этапах формирования Солнечной системы в ней производились тяжелые химические изотопы, в частности кюрий-247. Результаты исследования авторов опубликованы в журнале Science Advances.Геохимики изучили метеоритный образец под названием «Любопытная Мари». По сравнению с другими изотопами, он содержал ..
2016-03-06 1062 0 Научные открытия
0