Ο περιοδικός πίνακας που επινοήθηκε για πρώτη φορά από τον Ντμίτρι Μεντελέγιεφ το 1869 ομαδοποιεί τα 118 γνωστά χημικά στοιχεία σύμφωνα με τις χημικές τους ιδιότητες. Επειδή τα στοιχεία που βρίσκονται στις ίδιες περιοχές του πίνακα έχουν παρόμοια χαρακτηριστικά, αυτή η ταξινόμηση επέτρεψε στους χημικούς να εντοπίσουν κενά στον πίνακα δεκαετίες πριν και από τότε έχει βοηθήσει στην ανακάλυψη των στοιχείων που τα συμπληρώνουν. 

Ο περιοδικός πίνακας λειτουργεί πολύ καλά γενικά για τους χημικούς, αλλά για ορισμένους φυσικούς —οι οποίοι ενδιαφέρονται περισσότερο για τον εντοπισμό και τη χρήση ιόντων υψηλής ενέργειας— δεν εξυπηρετεί τον σκοπό τους. Τέτοια σωματίδια χρησιμοποιούνται σε λέιζερ ακτίνων Χ, σε θεραπείες όγκων και για τον έλεγχο θεμελιωδών θεωριών της φυσικής και σε οπτικά ρολόγια. 

«Θέλαμε να αναζητήσουμε ιόντα με υψηλό φορτίο για ατομικά ρολόγια, ώστε να τα κάνουμε πολύ πιο σταθερά και ακριβή» επισημαίνει ο Chunhai Lyu από το Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής Max Planck στη Χαϊδελβέργη της Γερμανίας. 

Τα άτομα αποτελούνται από έναν πυρήνα που περιέχει πρωτόνια και νετρόνια, με ηλεκτρόνια οργανωμένα σε στοιβάδες και υποστοιβάδες γύρω από τον πυρήνα. Σ’ ένα άτομο, ο αριθμός των θετικά φορτισμένων πρωτονίων είναι ίσος με τον αριθμό των αρνητικά φορτισμένων ηλεκτρονίων. Όμως τα άτομα μπορούν να χάνουν ή να αποκτούν ηλεκτρόνια, σχηματίζοντας φορτισμένα ιόντα. Ένα άτομο που χάνει πολλά ηλεκτρόνια γίνεται ιόν με υψηλό φορτίο. 

Ο αρχικός περιοδικός πίνακας είναι ταξινομημένος με βάση τον αριθμό των πρωτονίων σε κάθε άτομο στοιχείου. Αντίθετα, ο Lyu και οι συνεργάτες του τακτοποίησαν τον πίνακά τους σύμφωνα με τον αριθμό των ηλεκτρονίων στα ιόντα. Όταν ένα άτομο ενός στοιχείου χάσει ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια, μπορεί να έχει τον ίδιο αριθμό ηλεκτρονίων με ένα άτομο άλλου στοιχείου. Αυτό σημαίνει ότι κάθε κελί του πίνακα μπορεί να περιλαμβάνει ιόντα από πολλά στοιχεία με κοινή ηλεκτρονική διαμόρφωση, εξηγεί ο Lyu. 

Το αποτέλεσμα είναι ένας πίνακας όπου κάθε γραμμή αντιπροσωπεύει μια στοιβάδα ηλεκτρονίων και κάθε στήλη μια υποστοιβάδα. Αυτή η διάταξη επέτρεψε στον Lyu και την ομάδα του να προβλέψουν τις λεγόμενες «απαγορευμένες μεταβάσεις». 

Αν ένα άτομο απορροφήσει ενέργεια – για παράδειγμα, συγκρουόμενος με άλλο άτομο – τα ηλεκτρόνια μπορούν να μετακινηθούν από μία στοιβάδα ή υποστοιβάδα σε μια άλλη. Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία ορισμένες από αυτές τις μεταβάσεις είναι πολύ πιο πιθανές από άλλες, ανάλογα με το πού ξεκινούν και πού καταλήγουν τα ηλεκτρόνια. 

Υπάρχουν όμως και σπάνιες, ασυνήθιστες μεταβάσεις που δεν είναι αυστηρά αδύνατες, αλλά απλώς εξαιρετικά απίθανες και αργές. Αυτές είναι γνωστές ως «απαγορευμένες μεταβάσεις» και επειδή απαιτούν περισσότερο χρόνο για να συμβούν, είναι πολύ σταθερές — κάτι που τις καθιστά ιδανικές για τον σχεδιασμό οπτικών ατομικών ρολογιών. 

Ο Lyu και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν τον νέο τους πίνακα για να προβλέψουν την ύπαρξη 700 ιόντων με υψηλό φορτίο, τα οποία θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε τέτοιες μεταβάσεις ώστε να δημιουργηθούν ακόμα πιο ακριβή οπτικά ατομικά ρολόγια. 

Ο Mark Leach, χημικός που διατηρεί μια διαδικτυακή βάση δεδομένων περιοδικών πινάκων και διευθύνει την εταιρεία χημικών συμβουλών Meta-Synthesis, υποστηρίζει ότι όλες αυτές οι απαγορευμένες μεταβάσεις είναι πιθανό να υπάρχουν εκεί έξω. 

Τώρα που οι μεταβάσεις έχουν προβλεφθεί θεωρητικά, λέει ο Lyu, μπορείς να ρυθμίσεις την ενέργεια μιας δέσμης ηλεκτρονίων ώστε να συγκρουστεί με άτομα, να παραχθεί το επιθυμητό ιόν υψηλής ενέργειας και να διατηρηθεί σε αυτήν την «απαγορευμένη» κατάσταση με τη χρήση λέιζερ. 

Το ιόν αυτό μπορεί στη συνέχεια να μετρηθεί πειραματικά μέσω φασματοσκοπίας, ώστε να αποκτήσουμε περισσότερες πληροφορίες για τη δομή ενέργειας των ηλεκτρονίων που περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα και να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή ακόμη πιο ακριβών ατομικών ρολογιών, προσθέτει. 

Τέτοια ρολόγια θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην πλοήγηση διαστημοπλοίων μακριά από τη Γη, στον συγχρονισμό δορυφόρων, στη δοκιμή της θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάιν και στη λειτουργία δικτύων κβαντικής επικοινωνίας. 

«Αυτό είναι πολύ μακριά από την κλασική ιδέα του περιοδικού πίνακα. Είναι μια διαμόρφωση εξαιρετικά ιονισμένων στοιχείων» τονίζει ο Guillermo Restrepo από το Ινστιτούτο Μαξ Πλανκ για τα Μαθηματικά στις Επιστήμες, στη Λειψία της Γερμανίας. «Αλλά έχουν εντοπίσει ενδιαφέρουσες και απαγορευμένες μεταβάσεις, οι οποίες ανοίγουν έναν νέο δρόμο για τη βελτίωση των ατομικών ρολογιών, κάτι που είναι πραγματικά σημαντικό». 

*Με στοιχεία από το Νew Scientist.

 

➪ Ακολουθήστε το OLAFAQ στο Facebook, Bluesky και Instagram.