Populære Innlegg

Redaksjonens - 2019

Kjemi: Ny matematikkteknikk forbedrer atomegenskapens spådommer til historisk nøyaktighet

Anonim

Ved å kombinere avansert matematikk med høy ytelse databehandling har forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) og Indiana University (IU) utviklet et verktøy som tillot dem å beregne en grunnleggende egenskap av de fleste atomer på det periodiske tabellen til historisk nøyaktighet - redusere feil med en faktor på tusen i mange tilfeller. Teknikken kan også brukes til å bestemme en rekke andre atomegenskaper som er viktige i felt som nukleær medisin og astrofysikk.

annonse


NISTs James Sims og IUs Stanley Hagstrom har beregnet basenerginivåene for de fire elektronene i elementet beryllium, en prestasjon som har krevd nesten en hel karriere innsats på Sims 'del. Nøyaktig bestemmelse av basenergien - avgjørende for å bestemme mengden som er nødvendig for å øke et atom fra sitt grunnenerginivå til et hvilket som helst nivå høyere - har stor egenverdi for grunnleggende atomforskning, men lagets teknikk har implikasjoner langt bredere enn for en enkelt element.

Sims sier at teknikken tillot beregning av eksitasjonstilstander med åtte-desimal nøyaktighet, noe som resulterte i en bemerkelsesverdig jevn kurve som de forventet teoretisk, men ikke var sikker på at de ville oppnå i praksis. For de aller fleste elementene i periodisk tabell er de beregnede resultatene tusen ganger mer nøyaktige enn tidligere verdier. Resultatene, ifølge Sims, antyder at deres metode kunne muliggjøre beregning av andre atomegenskaper - for eksempel elektronaffinitet og ioniseringspotensial, for eksempel - som er viktige for nukleær medisin, astrofysikk og andre felt av atomforskning. En form for kreftbehandling som nå er under utvikling, kalles bor neutronopptaksterapi, kan ha nytte av disse beregningene, sier han.

Deres metode er kulminasjonen av tiår med innsats for å bruke kvantemekanikk for å forutsi basenerginivåer fra første prinsipper. Sims foreslo først på slutten av 1960-tallet at en slik kvantemetode kunne være mulig, men de komplekse beregningene som var involvert, var utenfor rekkevidden til verdens beste datamaskiner. Bare i 2006, etter advent av parallell databehandling - kobling av mange datamaskiner sammen som en samlet klynge - var han og Hagstrom i stand til å lage brukbare algoritmer for å beregne energiene for et to-elektron-hydrogenmolekyl mer nøyaktig enn det kunne gjøres eksperimentelt. Så i 2010 forbedret de algoritmene for å bringe litiums tre elektroner innen rekkevidde.

Berylliums fire elektroner viste seg en ny hindring, men kanskje den siste signifikante. Mye av vanskeligheten stammer fra det faktum at gjensidig avstøtning blant elektronene, kombinert med deres tiltrekning for kjernen, skaper et komplekst sett med samspillende krefter som i det minste er tidkrevende, om ikke praktisk talt umulig å beregne. Kompleksiteten vokser med tillegg av hver ny elektron, men laget fant en matematisk tilnærming som kan redusere et atoms elektronmoln til en gruppe problemer, hvorav ingen er mer komplekse enn å løse et fire-elektronsystem.

Å ringe tilnærming til en snarvei, er på noen måter en feilmelding. Hvor beregningen for litium krevde en klynge av 32 parallelle prosessorer, krever beryllium 256, og til og med da klyngen trengte å operere ved ekstremt høy effektivitet i dager. Men utbetalingen var at de kunne regne ut energiene for alle fire-elektronen bakken stater - noe som betyr ikke bare alle elementene i berylliums kolonne på periodiske bordet, som hver har fire elektroner i det ytre skallet, men også for alle andre elementer i ioniserte tilstander som har fire elektroner, for eksempel bor med en elektron mangler, karbon mangler to og så videre, opp til det som ennå ikke-navngitte element 113.

annonse



Historie Kilde:

Materialer levert av National Institute of Standards and Technology (NIST) . Merk: Innholdet kan redigeres for stil og lengde.


Tidsreferanse :

  1. James S. Sims, Stanley A. Hagstrom. Hylleraas-konfigurasjon-interaksjonen ikke-relativistiske energier for 1S-bakkenstilstandene i beryllium-isoelektronisk sekvens . Journal of Chemical Physics, 2014; 140 (22): 224312 DOI: 10, 1063 / 1, 4881639