أثقل عناصر الجدول الدوري يغير نظرية ميكانيكا الكم

وجد فريق دولي من الكيميائيين بقيادة باحثين من (جامعة ولاية فلوريدا – Florida State University) أنّ نظرية ميكانيكا الكم لا تُفسر بشكلٍ كافٍ كيف هي وظيفة آخر 21 عنصرًا في الجدول الدوري، وبدلًا من ذلك، تساعد نظريّة علميّة أخرى معروفة،و هي النظريّة النسبيّة لألبرت أينشتاين، على التحكم في سلوك هذه العناصر.

الجدول الدوري للعناصر

ميكانيكا الكم هي القواعد الأساسية التي تتحكم في كيفيّة تصرّف الذرات وتشرح كامل السلوك الكيميائي لمعظم العناصر في الجدول الدوري.

ولكن، وجد توماس ألبريكت-شميت (Thomas Albrecht-Schmitt)، الأستاذ في جامعة ولاية فلوريدا، ومؤلفين مشاركين أنّ هذه القواعد يتم تجاوزها إلى حدٍ ما بواسطة نظرية أينشتاين النسبيّة عندما يتعلق الأمر بالعناصر الأثقل والأقل شهرةً في الجدول الدوري.

يقول الأستاذ ألبريكت-شميت: «يكاد يكون الأمر في عالمٍ بديلٍ، لأنك ترى التركيب الكيميائي الذي لا تراه ببساطة في العناصر اليومية».

أنتج الفريق مركبات من البركيليوم -وهو عنصر كيميائي مُشع رمزه الكيميائي (Bk) والعدد الذري له 97- التي بدأت تُظهر كيمياء غير عادية، ولم يتبعوا القواعد العاديّة لميكانيكا الكم، فلم تكن الإلكترونات ترتب نفسها حول ذرات البركيليوم تحديدًا بالطريقة التي تُنظمها حول عناصر أخف مثل الأوكسجين أو الزنك أو الفضة.

يعتمد الكيميائيون عادةً رؤية الإلكترونات مصطفةً بحيث تواجه جميعها نفس الاتجاه، وهذا يتحكم في كيفيّة عمل الحديد كمغناطيس على سبيل المثال.

ومع ذلك، لا تُطبّق هذه القواعد البسيطة عندما يتعلق الأمر بمقادير من البيركيليوم، ومن جانبٍ آخر بسبب أنَّ بعض الإلكترونات تصطف على عكس الطريقة التي تكهن بها الكيميائيون منذ فترةٍ طويلة.

صورة مجهرية كاذبة اللون لأول كتلة معزولة (بوزن 1.7 ميكروغرام) لعيّنة من البركيليوم.
مصدر االصورة: (مختبر أوك ردج الوطني – Oak Ridge National Laboratory)

أدرك الأستاذ ألبريكت-شميت وزملاؤه أنّ النظرية النسبية لآينشتاين شرحت بالفعل ما رأوه في مركبات البركيليوم، كل شيء يحصل أسرع وأثقل مع التحركات الجماعية تحت مفهوم النظرية النسبية.

تبدأ الإلكترونات في التحرك بنسبةٍ كبيرةٍ من سرعة الضوء، لأن نواة هذه الذرات الثقيلة مشحونة للغاية، وهذا يجعلها تصبح أثقل من المعتاد، والقواعد التي تنطبق عادةً على سلوك الإلكترون تبدأ بالانهيار، وقال الأستاذ ألبريكت-شميت: «لقد كان الأمر مبهجًا عندما بدأنا نلاحظ التركيب الكيميائي»، وواصل قائلًا: “عندما ترى هذه الظاهرة المثيرة للاهتمام، تبدأ بسؤال نفسك كل هذه الأسئلة مثل كيف يمكنك جعلها أقوى؟ أو كيف يمكنك إيقافها؟».

وأضاف ألبريكت-شميت أيضًا: “قبل بضع سنوات، لم يكن أحد يعتقد حتى أنه يمكن لك أن تحضِّر مركب البيركيليوم».

تم نشر البحث في (مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية – Journal of the American Chemical Society).