Периодическая таблица, впервые предложенная Дмитрием Менделеевым в 1869 году, группирует 118 известных химических элементов в соответствии с их свойствами. Поскольку элементы в одних и тех же столбцах и строках таблицы обладают схожими характеристиками, эта система еще десятилетиями позволяла химикам открывать недостающие элементы и заполнять пробелы в таблице.
Периодический закон, этот мощный инструмент, универсален не на 100% — химикам он очень помогает, а некоторым физикам, занимающимся поиском и использованием высокоэнергетических ионов, не вполне подходит. Такие частицы применяются в рентгеновских лазерах, терапии опухолей, плазме, для проверки фундаментальных физических теорий и в оптических часах.
«Мы хотели найти высокозаряженные ионы для атомных часов, чтобы сделать их гораздо стабильнее и точнее», — говорит Чунхай Лю из Института ядерной физики Макса Планка в Гейдельберге.
Напомним, атомы состоят из ядра, содержащего протоны и нейтроны, и электронов в оболочках и подоболочках вокруг него. Количество положительно заряженных протонов и отрицательно заряженных электронов одинаково, но атомы могут терять или приобретать электроны, превращаясь в заряженные ионы. Атом, утративший много электронов, становится высокозаряженным ионом.
Оригинальная таблица Менделеева упорядочена по количеству протонов в атоме каждого элемента. Лю и его коллеги организовали свою таблицу по количеству электронов в ионах, результатом чего поделились в статье на arXiv.
Когда атом одного элемента теряет один или несколько электронов, у него может оказаться столько же электронов, сколько у атома другого элемента. Это означает, что каждая ячейка таблицы может содержать ионы разных элементов с одинаковой электронной конфигурацией, показывает Лю.
Таким образом, в этой версии таблицы каждая строка представляет электронную оболочку, а каждый столбец — подоболочку. В таком варианте таблица может предсказать так называемые запрещенные переходы.
Если атом поглощает энергию (например, при столкновении с другим атомом), электроны могут переходить с одной оболочки или подоболочки на другую. Согласно квантовой теории, вероятность таких переходов зависит от начального и конечного расположения электронов.
Запрещенные переходы, несмотря на название, нельзя назвать абсолютно невозможными — но они крайне маловероятны и происходят медленно. Благодаря длительности они очень стабильны, что делает их идеальными для создания оптических атомных часов.
Лю и его коллеги использовали свою таблицу, чтобы предсказать существование 700 высокозаряженных ионов, которые можно использовать для таких переходов и создания более точных оптических часов.
Вооружившись данными о теоретически предсказанных переходах, можно настроить энергию электронного пучка для столкновения с атомами, чтобы получить нужный высокоэнергетический ион и удерживать его в запрещенном состоянии с помощью лазеров, объясняет Лю.
Этот ион может стать сердцем еще более точных атомных часов, которые могут быть с успехом применены в навигации космических аппаратов вдали от Земли, координации спутников, проверке теории относительности Альберта Эйнштейна и работе квантовых коммуникационных сетей.
«Это далеко от основной идеи периодической таблицы, это конфигурация сильно ионизированных элементов. Но они обнаружили интересные запрещенные переходы, что открывает новый путь для улучшения атомных часов, а это действительно важно», — заметил Гильермо Рестрепо из Института математики Макса Планка в Лейпциге.
Открыт новый способ измерения времени
Самые точные часы отправили на орбиту проверить Теорию относительности Эйнштейна