Вычисления, проведенные чешскими исследователями, дали ответ на вопрос, давно мучивший физиков: почему полоний предпочитает кубическ ую кристаллическую решетку?

Полоний вызывает у физиков интерес не только из-за своей радиоактивности и связанных с нею космическими приложениями, но и благодаря своей необычной структуре. Это единственный химический элемент, который при низкой температуре предпочитает образовывать кристаллы простой кубической упаковки (известны и другие кристаллы с простой кубической структурой, например, NaCl, но они получаются как минимум из двух элементов). Его химические гомологи (то есть элементы-близнецы, которые находятся в периодической таблице над полонием и имеют ту же валентную электронную оболочку) — теллур и селен — такой особенностью не обладают; их кристаллы образуют гораздо менее симметричную (тригональную) упаковку.

Причина такого исключительного положения полония среди других элементов долгое время оставалась неясной. Экспериментальные методы в этом случае помогают мало, поскольку из-за своей высокой радиоактивности первоначально чистый образец полония быстро «засоряется» продуктами распада, которые мешают распознать «устройство» чистого полония.

С помощью теоретических расчетов тоже долго не удавалось объяснить структуру кристалла полония и его отличие от гомологов. Конечно, зная устройство электронной оболочки элемента, можно в принципе предсказать и структурные свойства составленного из него простого вещества, но для тяжелых многоэлектронных атомов эта задача оказывается очень трудоемкой.

Однако методы расчета электронных структур улучшаются, компьютеры становятся быстрее, и это в конце концов приводит к лучшему пониманию свойств вещества. Физики и химики из Института физики материалов в чешском городе Брно, которые уже несколько лет интересуются структурой полония, опубликовали недавно результаты своих исследований, дающие ключ к этой загадке. Их работа D. Legut, M. Friak, M. Sob, Phys. Rev. Lett. 99, 016402 была направлена в редакцию 26 октября 2006 года и опубликована 6 июля 2007 года.

Вооружившись целым набором методов расчета электронных структур твердых тел, разработанных в последние годы (в том числе и самими авторами), чехи рассчитали предпочитаемые кристаллические решетки при низких температурах для полония и его гомологов. Выяснилось, что ключевую роль в предпочтении полония играют релятивистские эффекты в динамике электронов. Из-за большого заряда ядра электроны в полонии притягиваются сильнее и потому движутся в среднем со скоростями, более близкими к скорости света, чем в селене и теллуре. Это сказывается на энергии того или иного расположения атомов, а значит и на предпочтениях кристаллической решетки. Авторам даже удалось найти среди разнообразных релятивистских поправок именно те, которые обеспечивают кубическую решетку полония.

Конечно, этот переход от релятивистских поправок в уравнениях к кубической решетке нельзя назвать интуитивно понятным. Очень хотелось бы найти более простой и прозрачный критерий, на основании которого данный элемент выбирает ту или иную решетку. Но по-видимому, для тяжелых атомов эта мечта несбыточна, и в этой ситуации приходится довольствоваться тем, что сложные расчеты из первых принципов хорошо описывают наш мир.

Авторы, кстати, не ограничились только описанием имеющихся данных. Повторив вычисления для слегка сжатого или слегка растянутого кристалла полония, они предсказали то, как он должен реагировать на механическое воздействие. Была, например, обнаружена чрезвычайно большая (даже для кубических кристаллов) анизотропия упругости — при растяжении вдоль диагонали кубической решетки кристалл оказался гораздо более податливым, чем при растяжении вдоль других направлений. Кроме того, они предсказали интересную перестройку кристаллической решетки при давлении в несколько десятков тысяч атмосфер. Авторы надеются, что эти предсказания можно будет проверить в эксперименте в ближайшее время.

    Любопытно отметить, что, рассказывая во введении о присутствии полония в природе, авторы говорят: «Несмотря на то, что полоний встречается так редко, он влияет на наши жизни через воздух, почву и растения, такие как табак, грибы и даже чай». При этом они ссылаются на результаты опубликованных в научной литературе исследований, в том числе и на занятную статью сирийских исследователей M. S. Al-Masri et al., J. Rad. Nucl. Chem., 260, 27 (2004). В этой статье говорится о том, что следы полония были найдены в 34 сортах чая и 9 сортах мате, купленных на местном сирийском рынке, и даже вычисляется средняя годовая доза облучения, получаемая типичным сирийцем через чай.

Источник: D. Legut, M. Friak, M. Sob, Why Is Polonium Simple Cubic and So Highly Anisotropic? // Physical Review Letters, 99, 016402 (6 июля 2007 года).