Astatinin elementinin metalik özellikleri tahmin edildi

Astatin, elementlerin en gizemlilerinden biri. Herkes, 85 atom numaralı astatin elementinin halojen grubunun altında durduğunu bilir, ama hiç kimse neye benzediğini bilmez. Astatin, doğada bulunan en nadir elementtir ve kararlı hiçbir izotopu mevcut değildir. En uzun yaşayan izotopu yalnızca 8,1 saatlik bir yarı ömre sahiptir. Bu nedenle, çıplak gözle görünebilir şekilde kimse tarafından gözlenememiştir.

Physical Review Letters isimli dergide yayınlanmış ilk tahlildeki hesaplamalar, elementin metalik bir katı olacağını öngörüyor. Bu sonuç, periyodik tabloda astatinin üstünde bulunan iyodun koyu ve gümüşsü bir katı olmasından ötürü çok şaşırtıcı değildir (ancak iyot tam anlamıyla metalik özellik göstermez) ve astatinin erime noktası 302 0C olarak hesaplanmıştır. Ancak gerçek sürpriz şudur ki sonuçlar katının iki atomlu moleküllerden oluşmayacağının işaretini veriyor ve tıpkı diğer halojenler gibi tek atomlu olacağını söylüyor. Hesaplamalar, İskoçya'daki Edinburgh Üniversitesi'nde çalışan Andreas Hermann ve Ithaca, New York'daki Cornell Üniversitesi'nde çalışan tecrübeli teorisyenler Roald Hoffmann ve Neil Ashcroft tarafından yapılmıştır.

Çin'deki Changchun, Jilin Üniversitesi'nde çalışan teorik fizikçi Yanming Ma, diğer halojenlerin yüksek basınçlı katı fazları üzerinde uzmanlığa sahip ve bu çalışmayı mükemmel olarak değerlendiriyor. Ma, şöyle konuşuyor: “Yazarlar katı astatinin şaşırtıcı davranışı için makul bir açıklama sunuyor, ayrıca sürpriz iki uçludur, birisi moleküler olmayan biçimi ve ikincisi de normal basınçta metalik karakteridir”.

Bu davranışın gözden kaçması kolay, çünkü sadece, çok ağır atomların elektronik yapısı üzerinde, hesaplamaların özgün göreleliğin üzerindeki etkisini tam olarak dikkate aldığı zaman ortaya çıkmaktadır: bu etki kısaca büyük boyutlu çekirdeğe yakın bulunan ve hızla hareket eden elektronların etkin kütlesindeki artış olarak açıklanabilir. Böyle etkilerin ağır elementler için belirgin özellikleri vardır, çok meşhur olan bu etki altına sarımsı rengini ve civaya düşük erime noktasını kazandırır.

Dönü-yörünge eşleşmesinin önemi

Moleküllerin ve malzemelerin elektronik yapısının yoğunluk-fonksiyonel hesaplarında, görelelik etkiler yaygın şekilde iki bileşene ayrılır. Skaler yaklaşım olarak bilinen yöntem elektronların çok yüksek hızlarla hareketinin etkilerini düşünür, buna karşılık, çekirdek etrafındaki elektron hareketleri tarafından oluşturulan manyetik alan ve elektron dönüsü arasındaki dönü-yörünge eşleşmesinden etkilenir. Hermann ve arkadaşları astatin için skaler görelelik hesaplama sonucu iki atomlu temel hal öngörüyor, buna karşılık yalnızca yüksek dönü-yörünge eşleşmesinin geçerli olduğu durumda tek atomlu biçim söz konusu olmaktadır. Hermann, konu hakkında şöyle konuşuyor: “Bu etkiler atomların belli bağları ve kristal yapılarını oluşturma eğilimini etkiler, çoğunlukla moleküler bağlanma enerjilerini düşürür”. Daha önceki hesaplamalara göre gaz halinde astatinin zayıf bağlı ve iki atomlu bir molekül oluşturduğu gösterilmiştir.

Tam görelelik kuramına göre katı halin değerlik ile iletim elektronları arasında bağ aralığı bulunmamaktadır: normal basınçta bile metalik özelliği gösterir. Aslında, basit bir benzetme yaparak yüksek basınçlı iyot ile karşılaştırıldığında araştırmacılar astatinin süper-iletken bile olabileceğini vurguluyor.

Astatinin altında, 2010 yılında sentezlenen 117 atom numaralı elementin daha kuvvetli görelelik etkileri göstereceği öngörülmektedir. Hermann, şöyle diyor: “Tahminimce bu element tek atomlu ve zayıf bağlı bir tek atomlu metal olacaktır, ama her türlü sürprize de açığım”.

Tahminlerin deneysel olarak test edilip edilmeyeceğini ileride göreceğiz. Astatin genel olarak nükleer tepkimeler sonucu yatay olarak sentez ediliyor – bu şekildeki ilk sentezi 1940 yılında Berkeley'deki Kaliforniya Üniversitesi'ndeki bilim adamları tarafından gerçekleştirilmiştir. Elde edilen yapı, neredeyse bir anda buharlaşacak kadar yüksek radyoaktifliğe sahiptir. Hermann konu hakkında olumlu düşünüyor, “Substratın aktif olarak soğutulması ile yeterli derecede uzun bir zaman bir ince filmi inceleyebiliriz” diyor.

Kaynaklar:

A Hermann, R Hoffmann and N Ashcroft, Phys. Rev. Lett. ,111, 116404 (DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.116404)

http://www.rsc.org/chemistryworld/2013/09/astatine-metallic-superconductor-predictions

Kategoriler

+ Yorum bulunmuyor

Yorum yap