Редчайший галоген оказался металлом

Группа физиков и химиков из Корнельского университета смоделировала свойства астата. Исследователи доказали, что астат должен быть металлом и не формирует двухатомных молекул, хотя положение в таблице Менделеева прямо указывает на принадлежность астата к галогенам. Подробности со ссылкой на принятую к публикации, но пока не опубликованную вPhysical Review Lettersстатью приводит PhysOrg.

Исследователи, среди которых лауреат Нобелевской премии по химии Роалд Хоффман (в 1981 году получил награду за фундаментальные работы по исследованию химических реакций), смоделировали поведение атомов астата и их взаимодействие при помощи суперкомпьютера. Такие расчеты стали, как подчеркивается в сообщении, возможны лишь недавно, хотя принципиальные законы, определяющие поведение квантовых объектов (в частности, уравнение Шредингера, которое описывает эволюцию квантового объекта), известны уже почти сто лет.

Основная сложность моделирования химических свойств веществ, особенно с атомами тяжелых элементов, связана с тем, что даже одиночный атом имеет 85 электронов и 210 нуклонов в ядре. Даже рассматривая ядро как единый положительный заряд, ученые не могут игнорировать взаимное влияние электронов друг на друга: добавление хотя бы одного атома резко усложняет задачу. В своих работах по исследованию молекулярных орбиталей Роальд Хоффман описывал именно моделирование молекул с использованием ряда приближенных методов, однако долгое время решить проблему адекватного изучения тяжелых элементовin silicoне удавалось. Используя суперкомпьютер и новые алгоритмы расчета молекулярных орбиталей ученые смогли предсказать свойства астата. Причем, что особенно важно, моделирование опиралось на фундаментальные квантовые законы (так называемый first principles расчет), а не использовало упрощений, в рамках которых атомы представляют собой простые шарики, создающие вокруг себя заданное электрическое поле.

Ученые обнаружили, что формально попадающий в число галогенов (фтор, хлор, бром и йод) астат должен быть металлом. Он не образует двухатомных молекул, аналогичных Cl2, но при этом не выстраивает и характерную для металла кристаллическую решетку. Структура астата должна напоминать ртуть, хотя при нормальных условиях элемент при этом будет не жидким, а твердым. В лабораториях ранее удавалось получить астат в количестве всего 0,05 микрограмма, поэтому до сих пор никому неизвестны такие свойства вещества, как цвет, плотность, электрическая проводимость или теплоемкость. Немногочисленные опыты даже не позволили ответить на вопрос о том, может ли астат формировать двухатомные молекулы. Авторы исследования надеются, что далее удастся рассчитать химические свойства тех элементов, которые получаются лишь считанными атомами и в принципе недоступны для экспериментов из-за очень малого периода полураспада.

Несмотря на чрезвычайную редкость (по некоторым данным, именно астат является самым редким из элементов, который постоянно находится в земной коре: его распад компенсируется рождением новых атомов при альфа-распаде нестабильных изотопов висмута), астат интересен не только с теоретической точки зрения. Синтезированные в медицинских ускорителях атомы астата используются для радиоизотопного мечения препаратов, позволяющих обнаруживать и прицельно облучать злокачественные опухоли.