حل یکی از رازهای طلا با تلفیق روش شیمی کوانتومی و رویکرد فاینمن

طلا همیشه به گرانبهایی، شهره بوده و از طرفی به دلیل رسانایی اش، در صنایع الکترونیک به کار می رود؛ اما این فلز گرانبها، در آزمایش های علمی هم، بسیار مهم و البته اسرارآمیز بوده است. حالا دانشمندان در پژوهش تازه ای و به کمک یکی از دقیق ترین روش های شیمی کوانتومی، موفق به حل یکی از رازهای طلا شدند. نتیجه این پژوهش چند روز پیش، در ژورنال Physical Review Letters منتشر شد. با دیپ لوک همراه باشید…

ارنست رادرفورد در آزمایش مشهورش که به آزمایش ورقه طلا معروف است، از طلا برای کشف ساختار داخلی اتم، استفاده کرد. اگرچه طلا در آزمایش های علمی، همیشه بسیار مفید بوده، اما دانشمندان دریافتند که این فلز در مقیاس اتمی، همیشه مطابق نظریه ها، رفتار نمی کند. این رفتار غیرعادی و غیرقابل پیش بینی، باعث بحث هایی در میان دانشمندان شد. آنها میخواستند بدانند چرا طلا، خاص است؟ این سوالی است که حتی تاکنون هم در بنیادی ترین سطح اتمی، حل نشده است. حالا محققان، این مسئله را حل کرده و محاسبات بسیار دقیقی انجام دادند که به آنها اجازه می دهد بتوانند بین نظریه و آزمایش، پل بزنند.

بدیهی است که هر چه آزمایش ها، دقیق تر باشند، نتایج آنها قابل اعتمادتر خواهند بود. در برخی موارد، آستانه دقت، باید از حد معینی بیشتر باشد تا نتایج، قابل قبول و سازگار با نظریه ها باشند؛ این دقیقا حالتی است که در مورد طلا، پیش می آید. در واقع، طلا یکی از عناصری است که باید در مورد آن، حتما اثرات نسبیتی را به حساب آوریم. با افزایش جرم، سرعت الکترون هایی که به دور هسته می چرخند، بیشتر شده (یعنی در مقایسه با سرعت نور، قابل توجه می شوند) و بنابراین نقش اثرات نسبیتی، بیشتر و پررنگ تر می شود. به همین دلیل است که برخلاف چند ردیف اول جدول تناوبی، اثرات نسبیتی در ردیف های بعدی و به ویژه ردیف های پایینی آن، بسیار مهم می شود؛ تاجایی که حتی در برخی موارد، نادیده گرفتن آنها، نتایج کاملا پرت و دور افتاده ای را بدست می دهد. مثلا جالب است بدانید طلا، بدون در نظر گرفتن اثرات نسبیتی، نقره خواهد بود!

الکترون خواهی (EA) و پتانسیل یونش (IP) طلا، دو کمیتی هستند که مقادیر نظری و تجربی آنها با یکدیگر سازگار نبود. (الکترون خواهی به معنای انرژی لازم برای افزودن یک الکترون به یک اتم؛ و پتانسیل یونش به انرژی لازم برای کَندن یک الکترون از اتم است). حالا دانشمندان در این پژوهش تازه، با افزایش دقت یکی از دقیق ترین روشهای محاسباتی شیمی کوانتومی، یعنی خوشه جفت شده (Coupled cluster)، توانسته اند این ناسازگاری را از بین ببرند. در این پژوهش، روش خوشه جفت شده به صورت نسبیتی و با استفاده از الکترودینامیک کوانتومی وردشی (V-QED) به کارگرفته شده است.

در این آزمایش، دانشمندان، اختلاف مقادیر تجربی و نظری دو کمیت EA و IP را تا چند میلی الکترون ولت، کاهش دادند که در طول چند دهه گذشته، پیشرفت بزرگی به حساب می آید. آنها با استفاده از رویکرد فاینمن، به این نتیجه رسیدند؛ که طبق آن، میدان الکترومغناطیسی به صورت کوانتیزه درنظر گرفته می شود. این در حالیست که سایر دانشمندان، میدان الکترومغناطیسی را همیشه به صورت کلاسیکی بررسی می کردند. رویکرد این پژوهش را می توان برای پیش بینی دقیق تر رفتار سایر  فلزات سنگین، نیز به کار برد. این پژوهش، حاصل بیش ازده سال کار گروهی سه گروه از محققان بود.

دانلود مقاله به صورت PDF