Теоретики решили задачу о релятивистской неметалличности золота

Физики из Новой Зеландии, Словакии, Голландии и Израиля добились рекордной точности предсказания электронных свойств атома золота с помощью методов квантовой химии. Ученые предсказали значение электронного сродства и первого потенциала ионизации с точностью в единицы миллиэлектронвольт — на порядок лучше, чем в предыдущих работах. Сложность расчетов связана с релятивистскими энергиями электронов золота, требующих поправок из области специальной теории относительности. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, кратко о нем сообщает Physics.

Современная квантовая физика позволяет с большой точностью вычислить электронные свойства небольших атомов — для водорода расхождение между теоретическими расчетами и экспериментальными данными составляет триллионные доли электронвольта, для большинства ионов с небольшим количеством электронов — порядка тысячных долей электронвольта. Однако с движением вниз по таблице Менделеева сложность расчетов возрастает. В частности, появляется важный фактор — релятивистское сжатие. Из-за высокого заряда ядра атома внешние электроны обладают кинетической энергией, которая соответствовала бы околосветовым скоростям. Это, в свою очередь, требует специальных поправок, которые грубо можно описать как кажущееся увеличение массы электрона и уменьшение «радиуса» его орбитали.

Эти поправки приводят к серьезным изменениям в свойствах материалов, с которыми можно встретиться в повседневной жизни. К примеру, благодаря релятивистским эффектам золото и цезий — желтые, а ртуть — жидкая. Кроме того, эти эффекты сказываются на химических свойствах веществ: сродство («стремление») золота к электрону оказывается сопоставимым с таковым у типичных неметаллов — галогенов. Из-за этого оказываются стабильными ауриды щелочных металлов, в которых ионизированное отрицательно заряженное золото играет роль аниона (как хлор в хлориде натрия).

Попытки теоретически описать такое большое сродство к электрону дают результаты, не совпадающие с экспериментом. Ошибка расчетов составляет сотые и даже десятые доли электронвольта (экспериментально определенное сродство составляет 2,3086 электронвольта). Авторы новой работы увеличили точность расчетов и добились расхождения между теорией и экспериментом в тысячные доли электронвольта. 

В своих расчетах физики использовали метод связанных кластеров, учитывающий корреляции между пятерками электронов оболочки атома и возбужденные состояния этих кластеров. До этого в расчете учитывались лишь пары и тройки электронов. Расширение до четверок и пятерок соответствовало значительному увеличению вычислительной сложности задачи. Кроме того, авторы учитывали вклады эффектов квантовой электродинамики, например, лэмбовский сдвиг, вызванный квантовыми флуктуациями вакуума. Его величина оказалась около 26 миллиэлектронвольт.

В результате физикам удалось вычислить потенциал ионизации золота (энергия, необходимая для отрыва электрона) с ошибкой в 3,2 тысячных электронвольта, а энергию сродства к электрону — с ошибкой в 1,4 тысячных электронвольта. 

Релятивистские эффекты проявляются не только на атомарном уровне. К примеру, как выяснила международная группа физиков при участии российских ученых, они могут влиять на свойства сверхпроводников. Более известными проявлениями эффектов уже общей теории относительности является прецессия орбиты Меркурия и потребность вводить поправки при определении положений спутников на околоземных орбитах. 

Владимир Королёв