Периодичната таблица, предложена за първи път от Дмитрий Менделеев през 1869 г., групира 118-те известни химични елемента според техните свойства. Тъй като елементите в едни и същи колони и редове на таблицата имат сходни характеристики, тази система десетилетия позволяваше на химиците да откриват липсващи елементи и да запълват празнини в таблицата.
Периодичният закон, този мощен инструмент, не е 100% универсален – той е много полезен за химиците, но не е напълно подходящ за някои физици, занимаващи се с търсене и използване на високоенергийни йони. Такива частици се използват в рентгенови лазери, туморна терапия, плазма, за тестване на фундаментални физични теории и в оптични часовници.
„Искахме да намерим силно заредени йони за атомните часовници, за да ги направим много по-стабилни и точни“, казва Чунхай Лиу от Института „Макс Планк“ за ядрена физика в Хайделберг.
Gerd Altmann / Pixabay
Нека напомним, че атомите се състоят от плътно централно ядро с положителен електричен заряд, заобиколено от облак отрицателно заредени електрони. Атомното ядро на свой ред е изградено от положително заредени протони и електрически неутрални неутрони. Броят на положително заредените протони и отрицателно заредените електрони е един и същ, но атомите могат да губят или да получават електрони, превръщайки се в заредени йони. Атом, който е загубил много електрони, се превръща във високозареден йон.
Оригиналната периодична таблица е подредена по количеството на протоните в атома на всеки елемент. Лиу и колегите му организирали своя таблица по количеството електрони в йоните и споделили резултатите в статия в сървъра за препринт arXiv.
Когато атом от един елемент загуби един или повече електрона, той може да се окаже с толкова електрони, колкото атом от друг елемент. Това означава, че всяка клетка от таблицата може да съдържа йони от различни елементи с еднаква електронна конфигурация, показва Лиу.
По такъв начин, в тази версия на таблицата, всяка редица представлява електронна обвивка, а всяка колона представлява подобвивка. В тази версия таблицата може да предсказва така наречените забранени преходи.
Ако атомът поглъща енергия (например при сблъсък с друг атом), електроните могат да се преместят от една обвивка или подобвивка в друга. Според квантовата теория вероятността за такива преходи зависи от началната и крайната позиция на електроните.
Забранените преходи, независимо от името си, не са абсолютно невъзможни – но са изключително малко вероятни и се случват бавно. Поради продължителността те са много стабилни, което ги прави идеални за създаване на оптични атомни часовници.
Периодична таблица на силно заредени йони. Chunhai Lyu et al., 2025
Лиу и колегите му използвали своята таблица, за да предскажат съществуването на 700 високозаредени йона, които биха могли да бъдат използвани за задвижване на такива преходи и създаването на по-точни оптични часовници.
Благодарение на данните за теоретично предсказани преходи може да се настрои енергията на електронни лъч за сблъсък с атоми, за да се получи необходимият високоенергиен йон и да се задържи той в забранено състояние с помощта на лазери, обяснява Лиу.
Този йон би могъл да се превърне в сърцето на още по-точен атомен часовник, който би могъл успешно да се използва за навигация на космически апарати далеч от Земята, за координиране на спътници, за тестване на теорията на относителността на Алберт Айнщайн и за управление на квантови комуникационни мрежи.
„Това е далеч от основната идея на периодичната таблица, това е конфигурация от силно йонизирани елементи. Но те откриват интересни забранени преходи, което отваря нов път за подобряване на атомните часовници, а това е наистина важно“, казва Гилермо Рестрепо от Института „Макс Планк“ по математика в Лайпциг.
