Kimya biliminde aynı grupta yer alan elementlerin benzer kimyasal davranışlar sergilemesi ve grupta aşağıya inildikçe belirli özelliklerin düzenli şekilde artması periyodik tablonun en temel yasalarından biri kabul edilir. Ancak atom numarası 106 olan süper ağır element “seaborgiyum” üzerinde yürütülen çığır açıcı bir deney, Albert Einstein’ın Görelilik Teorisi’nin kimyasal bağlar üzerindeki etkisini somut olarak ortaya koyarak yüz yıllık kimya ezberlerini sarstı.
Almanya’daki GSI Helmholtz Ağır İyon Araştırma Merkezi ile FAIR tesisinde görev yapan uluslararası araştırma ekibinin saygın bilim dergisi Nature’da yayımlanan çalışması, süper ağır elementler dünyasında klasik kimya kurallarının geçerliliğini yitirdiğini belgeledi.
Doğada bulunmayan element laboratuvarda yakalandı
Periyodik tablonun 6. grubunda yer alan seaborgiyum, doğada serbest halde bulunmuyor. Yalnızca parçacık hızlandırıcılarda yüksek enerjili çekirdeklerin çarpıştırılmasıyla günde sadece birkaç atom ölçeğinde üretilebilen bu yapay elementin ömrü ise saniyelerle, hatta kimi durumlarda saniyenin kesirleriyle ölçülüyor.
Zorlu deney şartlarına rağmen fizikçiler, parçacık hızlandırıcı kullanarak 75 adet seaborgiyum atomu üretmeyi ve bu atomların karbonmonoksit gazıyla kurduğu kimyasal bağı gözlemlemeyi başardı. Araştırmanın temel amacı; her bir seaborgiyum atomunun altı karbonmonoksit molekülüyle birleşerek “seaborgiyum heksakarbonil” adlı kararlı bileşiği oluşturup oluşturamayacağını test etmekti.
İki aşamalı dedektörle hassas takip
Deney sırasında üretilen atomlar karbonmonoksit gazına maruz bırakıldıktan sonra özel bir çift kademeli dedektör sisteminden geçirildi. İstenen kimyasal bileşiği oluşturan moleküller ikinci dedektöre ulaşabilirken, tepkimeye girmeyen diğer parçacıklar birinci dedektörde tutuldu.
Gözlemlenen 75 seaborgiyum atomundan yalnızca 3 tanesi hedeflenen bileşik formunda ikinci dedektöre ulaştı. Benzer şartlar altında test edilen ve aynı grupta bir üst sırada bulunan tungstende (volfram) ise bileşik oluşum oranı yüzde 17 seviyesinde gerçekleşti.
Beklenen kural bozuldu: Bağlar daha zayıf çıktı
Elde edilen veriler, gruptaki kimyasal bağ kuvveti trendini tamamen tersine çevirdi. Normal şartlarda grupta yukarıdan aşağıya inildikçe bağ kuvvetinin artması beklenirken; seaborgiyumun karbonmonoksit ile kurduğu bağın, tungstene kıyasla mol başına yaklaşık 4 kilojul daha zayıf olduğu tespit edildi.
Bilim insanları bu sapmanın nedenini araştırdığında ise devreye Albert Einstein girdi. Süper ağır elementlerin çekirdeklerinde yer alan devasa pozitif yük, çekirdeğe yakın elektronların neredeyse ışık hızına yaklaşan süratlerle hareket etmesine yol açıyor. Bu durum, Einstein’ın özel görelilik teorisi gereğince elektronların kütlesinin artmasına, yörüngelerin daralmasına ve dış kabuk elektronlarının perdeleme düzeninin değişmesine neden oluyor.
Görelilik hesaba katılmayınca modeller çöktü
Araştırmacılar, klasik kimya formüllerinin bu durumu açıklamakta yetersiz kaldığını ve bağların güçlenmeye devam edeceğini öngörerek yanıldığını belirtti. Buna karşılık, Einstein’ın rölativistik (görelilik) etkilerini denklemlere dahil eden kuantum hesaplamalarının ölçülen zayıf bağ kuvvetini birebir doğru tahmin ettiği kanıtlandı.
Elde edilen sonuçlar, periyodik tablonun son sıralarında yer alan süper ağır elementlerin yalnızca ömürleriyle değil, kimyasal kimlikleriyle de klasik sınıflamalara meydan okuduğunu gösteriyor. Keşif, evrenin temel yapı taşlarının sınırlarında kimya ile görelilik fiziğinin nasıl iç içe geçtiğini bir kez daha gözler önüne seriyor.
