Обобщенный вариант метода псевдопотенциала успешно применен к теоретическим исследованиям электронной структуры сверхтяжелых элементов

Вторник, 19 ноября 2019

В настоящее время Периодическая таблица Д.И. Менделеева оканчивается на 118-м элементе оганесон (Oganesson, Og), названном в честь Ю.Ц. Оганесяна, академика РАН, крупнейшего советского и российского специалиста в области экспериментальной ядерной физики, научного руководителя Лаборатории ядерных реакций им. Г. Н. Флёрова в Объединённом институте ядерных исследований в Дубне. Закончилась ли на 118-м элементе Периодическая таблица? Конечно же нет, в 2018 году в Дубне запущена «фабрика СТЭ» — фабрика сверхтяжелых элементов, направленная на поиск более тяжелых элементов 119 и 120. Ищут сверхтяжелые элементы и в других мировых исследовательских центрах.

Открытие новых сверхтяжелых элементов крайне важно с точки зрения решения проблем, связанных с исследованием периодичности свойств элементов, с вопросами теории ядерной материи, нуклеосинтезом сверхтяжелых элементов в r-процессах, а также с поиском изотопов сверхтяжелых элементов в природе — космических лучах, метеоритах, образцах лунного грунта и в земной коре.

Однако, практические эксперименты со сверхтяжелыми элементами затрудняются их крайне малыми временами жизни (секунды и меньше для элементов от 112 до 118) и малыми количествами (единичные события в неделю до настоящего времени). Поэтому, для химической идентификации новых синтезированных элементов требуются точные теоретические предсказания их физико-химических свойств. Кроме того, теоретические исследования электронной структуры уже открытых в Дубне сверхтяжелых нуклидов из «острова стабильности» — элементов Периодической таблицы с номерами от 112 до 118 — позволят проводить с ними различные химические эксперименты.

В статье «Generalized relativistic effective core potentials for superheavy elements», вышедшей недавно в Международном журнале квантовой химии (Int. J. Quantum Chem.), сотрудники Лаборатории квантовой химии (ЛКХ) НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ применили «гатчинский» вариант метода псевдопотенциала для теоретических исследований электронной структуры сверхтяжелых элементов.

«Гатчинский» (или обобщенный) вариант метода псевдопотенциала, разработанный в ЛКХ, представляет собой новое поколение прецизионных релятивистских моделей электронной структуры. Он оказался наиболее эффективным средством исследования физико-химических свойств сверхтяжелых элементов (z≥104), результаты чего представлены в статье.

Следует отметить, что предпосылки для создания метода псевдопотенциала были заложены ещё Д.И. Менделеевым при открытии Периодического закона, 150-летие которого широко отмечается в 2019 году. Сам же метод был впервые предложен Г. Гельманом в СССР и П. Гомбашом (Венгрия) еще в середине 30-х годов XX века.

Для построения псевдопотенциалов — моделей, используемых для описания электрических и магнитных полей, формируемых остовными электронами и заряженным ядром — обычно выбирается наиболее простой случай изолированного атома, для которого можно использовать преимущества сферической симметрии. Кроме того, вводится целый ряд других приближений и упрощений, обоснование разумности и точности которых — это отдельная, довольно трудоёмкая задача.

Метод псевдопотенциала – приближенный, поэтому наиболее очевидное дальнейшее его развитие должно сопровождаться повышением точности расчетов с псевдопотенциалом. На первый взгляд, для этого нужно просто увеличить число явно рассматриваемых в расчете электронов за счет добавления наиболее внешних из остовных электронов к валентным.

Однако, на практике простого увеличения числа активных (валентных и внешних остовных) электронов оказалось недостаточно и в ЛКХ НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ было показано, что необходимо совершенствовать и выражение для псевдопотенциала, в частности, строить существенно разные его компоненты для описания движения валентных и внешних остовных электронов данного атома. Для построения высокоточного псевдопотенциала данная идея была развита в рамках более сложного, «обобщенного» варианта псевдопотенциала, но на пути его реализации возникли серьезные, многочисленные трудности, решение которых позволило выйти на новый, более высокий уровень точности расчетов за счет более оптимального разбиения электронов на активные (валентные и внешние остовные) электроны и неактивные (внутренние остовные электроны) для данного конкретного типа задач, а также за счет более правильного описания динамики активных электронов с использованием предложенного обобщенного варианта псевдопотенциала.

В настоящее время «гатчинский» вариант этого метода активно развивается и применяется сотрудниками ЛКХ и других российских институтов для решения широкого круга фундаментальных и прикладных проблем. Его использование позволяет добиваться наиболее точных результатов в расчетах даже двухатомных молекул, содержащих тяжелые переходные металлы, лантаноиды и актиноиды, а сама ЛКХ является признанным мировым лидером в данном направлении.

Теги
фгбу пияф им. Б. П. Константинова Национальный исследовательский центр Курчатовский институт