Uluslararası bir araştırma ekibi, seaborgium ile kimyasal bağın gücünü ilk kez ölçtü – sonuçlar “Nature” dergisinde yayınlandı
GSI Helmholtz Ağır İyon Araştırma Merkezi ve Darmstadt'taki FAIR'den bilim insanlarının liderliğindeki uluslararası bir araştırma ekibi, dikkat çekici bir ölçüm gerçekleştirdi: İlk kez, süper ağır bir element içeren bir bileşikteki kimyasal bağın gücü deneysel olarak belirlendi. Sonuçlar, elementlerin kimyasal özelliklerinin aşırı koşullar altında nasıl değiştiğine dair yeni bilgiler sağlıyor.
Araştırmanın odak noktası, atom numarası 106 olan yapay olarak üretilmiş element seaborgium (Sg) idi. Bilim insanları, bir seaborgium atomu ve altı karbonmonoksit grubundan oluşan, heksakarbonil kompleksi Sg(CO)₆ olarak adlandırılan bir bileşiği incelediler.
Şaşırtıcı sonuç: Kimyasal bağ, elementin periyodik tablodaki konumuna göre beklenenden daha zayıf. Bu durum, Einstein'ın görelilik teorisiyle açıklanabilecek etkilerden kaynaklanıyor. Araştırma bulguları, ünlü bilimsel dergi "Nature"da yayınlandı.
Einstein'ın görelilik teorisi kimyayı etkilediğinde
Atom numaraları 104 ile 118 arasında olan süperağır elementler, bu tür araştırmalar için yeterli miktarda doğal ortamda bulunmazlar. Bunlar, parçacık hızlandırıcılarında nükleer füzyon reaksiyonlarında yapay olarak üretilmelidir.
Bu karmaşık bir süreçtir: genellikle günde sadece birkaç atom üretilir. Dahası, ortaya çıkan atom çekirdekleri son derece kararsızdır ve çok kısa bir süre içinde radyoaktif olarak bozunurlar.
Seaborgium'da, atom çekirdeğinin yüksek pozitif yükü elektronların hareketini büyük ölçüde etkiler. Çekirdeğe yakın elektronlar, görelilik etkilerinin önemli bir rol oynadığı hızlara ulaşır.
Bu durum atomun elektron yapısını değiştirir. Bu da, elementin diğer atomlar veya moleküllerle kimyasal bağ kurma biçimini etkiler.
Seaborgium beklenenden farklı davranıyor
Periyodik tabloda seaborgium, krom, molibden ve tungsten ile aynı element grubuna aittir. Bu grup içinde, incelenen kimyasal bağın gücü kromdan molibdene ve oradan da tungstene doğru artmaktadır.
Bu örüntüyü takip edersek, karşılık gelen bağın özellikle daha ağır olan Seaborgium'da çok daha güçlü olması beklenirdi.
Ancak ölçümler bunun tam tersini gösterdi.
"Kromdan molibdene ve tungstene doğru bağ kuvveti artıyor, bu nedenle aslında seaborgium'da en güçlü olması gerekiyor. Ancak ölçümler, seaborgium'un yüksek atom numarasının elektronik yapısını değiştirdiğini ve bu durumun eğilimi tersine çevirerek daha zayıf bir bağa yol açtığını gösteriyor," diye açıklıyor uluslararası araştırma işbirliğinin sözcüsü GSI/FAIR'den Dr. Alexander Yakushev.
Relativistik etkileri hesaba katan kuantum kimyasal hesaplamalar bu gözlemi açıklayabilir. Öte yandan, bu etkileri içermeyen daha basit modeller, bağ gücünde daha fazla artış öngörmüş olurdu.
Çalışma için yalnızca 75 seaborgium atomuna ihtiyaç duyuldu
Deneysel araştırma, araştırmacılar için özellikle zorlu bir süreçti; çünkü üretilen seaborgium atomları yalnızca saniyenin çok küçük bir bölümü kadar süreyle var olabiliyordu.
Seaborgium-259 izotopu, Darmstadt'taki GSI/FAIR tesisinde üretilmiştir. İncelenen nükleer durumların ömür süreleri yarım saniyeden azdır.
TASCA deney düzeneği, transaktinit ayırıcı ve kimyasal cihaz kullanılarak, üretilen atomlar izole edildi ve daha sonra karbonmonoksit içeren bir gaz atmosferine verildi.
Araştırılan kimyasal bileşikler orada oluşabiliyordu. Birbirinin ardına yerleştirilmiş iki dedektör, tek tek atomların radyoaktif bozunmalarını kaydetmek ve farklı reaksiyon ürünlerini ayırt etmek için kullanılıyordu.
Araştırmacılar toplamda 75 denizborgyum atomu tespit etti. Bunlardan sadece üçü heksakarbonil bileşiği dedektöründe kaydedildi.
Karşılaştırma amacıyla ekip, kısa ömürlü tungsten izotoplarını da inceledi. Bunlarda atomların yüzde 17'si karşılık gelen bileşiği oluşturdu.
Bu farktan yola çıkarak bilim insanları, incelenen bağın seaborgium'da tungsten'e göre yaklaşık dört kilojoule/mol daha zayıf olduğu sonucuna vardılar.
Yıllarca süren araştırmalar başarıya yol açtı
Sg(CO)₆ bileşiği ilk olarak yaklaşık on yıl önce Japonya'daki RIKEN Nishina Merkezi'nde sentezlendi. O dönemdeki deneyde Johannes Gutenberg Üniversitesi Mainz ve GSI/FAIR'den bilim insanları da yer alıyordu.
O zaman bile, bu bileşik kimyasal bağ kuvvetlerini araştırmak için umut vadeden bir madde olarak kabul ediliyordu. Ancak, bu kuvvetleri fiilen belirlemeye yönelik ilk girişimler başarısızlıkla sonuçlandı.
Radyoaktif bozunmaları tespit etmede başarılı ölçümlerin yapılabilmesi için hızlı kimyasal sentez yöntemlerinin, yüksek verimin ve hassas algılama yöntemlerinin bir araya gelmesi gerekmektedir.
Uluslararası işbirliği bir temel olarak
GSI/FAIR ve Helmholtz Enstitüsü Mainz'deki süperağır elementlerin kimyası bölümlerinin başkanı ve aynı zamanda Johannes Gutenberg Üniversitesi Mainz'de profesör olan Christoph E. Düllmann, uluslararası işbirliğinin önemini vurguluyor.
Düllmann, "Bu çığır açan deney, dünyanın dört bir yanındaki araştırma kurumları arasındaki disiplinlerarası ve uluslararası işbirliği olmadan mümkün olmazdı" diye açıklıyor.
Bu çalışma, diğer konuların yanı sıra evrendeki elementlerin kökeni ve temel özellikleri ile ilgilenen GSI ve FAIR'in araştırma programlarını tamamlayıcı niteliktedir.
Başarılı deneyin ardından bilim insanları daha ileri araştırmalar için hazırlıklara başladı bile. Gelecekte, denizborgiumdan daha ağır elementler içeren kimyasal bileşikleri de incelemeyi planlıyorlar.
(DARMSTADT – RED/GSI)
Öne çıkan görsel: TASCA ayırıcı cihazının arkasındaki deneysel düzenek: reaksiyon odasının arkasındaki ilk dedektör, iki germanyum dedektörüyle çevrili. Fotoğraf: GSI
