Нова версия на периодичната таблица може да промени начина, по който измерваме времето

Алтернативна периодична таблица на елементите, фокусирана върху високозаредените йони, разкрива нова научна информация, която може да подпомогне за намирането на по-точни оптични атомни часовници.

В една нова версия на периодичната таблица на елементите са посочени стотици силно заредени йони, които могат да се използват за създаване на следващото поколение оптични атомни часовници.

Периодичната таблица, изобретена за първи път от Дмитрий Менделеев през 1869 г., групира 118-те известни химични елемента според техните химични свойства. Тъй като елементите в едни и същи раздели на периодичната таблица имат сходни характеристики, това подреждане е дало възможност на химиците да идентифицират пропуските в таблицата преди десетилетия, а впоследствие е помогнало за откриването на елементи, които да ги запълнят.

Таблицата работи изключително добре за химиците като цяло, но за някои физици, които се интересуват повече от намирането и използването на високоенергийни йони, тя не върши желаната работа. Тези частици се използват в рентгеновите лазери, в терапията на туморите, в плазмата, за проверка на фундаменталните физични теории и в оптичните часовници.

„Искахме да открием високозаредени йони за атомните часовници, за да ги направим много по-стабилни и много по-точни, казва Чунхай Лю от Института за ядрена физика „Макс Планк“ в Хайделберг, Германия.

Атомите се състоят от ядро, съдържащо протони и неутрони, а електроните са разположени в обвивки и подобвивки извън ядрото. В един атом има равен брой положително заредени протони и отрицателно заредени електрони. Но атомите могат да придобиват или губят електрони, образувайки заредени йони. Атомът, който губи много електрони, се превръща в силно зареден йон.

Първоначалната периодична таблица е подредена според броя на протоните в един атом на всеки елемент. Вместо това Лиу и колегите му подреждат таблицата според броя на електроните в йоните. След като атомът на един елемент е загубил един или повече електрони, той може да има същия брой електрони като атома на друг елемент. Това означава, че всяка клетка от таблицата може да съдържа йони на няколко елемента, които имат една и съща конфигурация на електроните – казва Лю.

По този начин се получава таблица, в която всеки ред представлява електронната обвивка, а всяка колона – подобвивка. Това оформление е позволило на Лю и колегите му да прогнозират т.нар. забранени преходи.

Ако атомът погълне енергия – например при сблъсък с друг атом – електроните могат да се преместят от едната обвивка или подобвивка в другата. Според квантовата теория някои от тези преходи са много по-вероятни от други, в зависимост от обвивките, в които електроните тръгват и финишират.

Но има и редки, необичайни преходи, които не са строго невъзможни, а просто твърде малко вероятни и бавно протичащи. Те са известни като забранени преходи и тъй като отнемат повече време, са много стабилни, което ги прави идеални за проектиране на оптични атомни часовници.

Лю и колегите му са използвали своята таблица, за да предскажат съществуването на 700 силно заредени йони, които могат да се използват за тези преходи, за да се направят по-точни оптични атомни часовници.

Марк Лийч, химик, който поддържа интернет база данни с периодични таблици и ръководи консултантската услуга по химия Meta-Synthesis, казва, че всички тези забранени преходи могат да съществуват.

Сега, след като преходите са теоретично предсказани, казва Лю, бихте могли да настроите енергията на един електронен сноп, който да се сблъсква с атомите, за да генерира желания високоенергиен йон, и да го задържите в това състояние с помощта на лазери.

След това йонът може да се измери експериментално със спектроскопия, за да се научи повече за енергийната структура на електроните, въртящи се около ядрото, и да се използва за конструиране на още по-точни атомни часовници, казва той.

Такива часовници биха могли да подпомогнат навигацията на космически апарати, намиращи се далеч от Земята, да координират сателити, да проверяват теорията на относителността на Алберт Айнщайн и да управляват квантови комуникационни мрежи.

„Това е много далеч от основната идея на периодичната таблица. Това е конфигурация от силно йонизирани елементи“, казва Гилермо Рестрепо от Института по математика в природните науки „Макс Планк“ в Лайпциг, Германия. „Но те са открили интересни и забранени преходи, което отваря нов път за подобряване на атомните часовници, което е наистина важно.“