Espectro del hidrógeno. Crédito: Hyperphysics.
Los científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Indiana (IU), han determinado los valores más precisos jamás obtenidos antes para una propiedad fundamental del elemento litio, con un nuevo enfoque que puede permitir a los científicos hacer lo mismo con otros átomos de la tabla periódica.
Determinar con la más alta precisión posible las energías de excitación es de un gran interés para los científicos e ingenieros, que caracterizan y modelan todos los tipos de sistemas gaseosos, incluyendo los plasmas y las atmósferas planetarias. Otras áreas de aplicación incluyen la astrofísica y la física de la salud.
James Sims, de NIST y Stanley Hagstrom, de IU, han calculado cuatro energías de excitación del átomo de litio, valores aproximadamente 100 veces más precisos que los obtenidos con cálculos o mediciones experimentales anteriores. La determinación exacta de la energía de excitación, la cantidad necesaria para elevar un átomo de un nivel de energía de base al inmediatamente superior, tiene un valor intrínseco para la investigación fundamental en el comportamiento de los átomos, pero el éxito del método que el equipo ha empleado tiene implicaciones que van más allá del litio únicamente.
Los teóricos han superado los principales obstáculos de cómputo y conceptuales que durante décadas han impedido a los investigadores el uso de la mecánica cuántica para predecir las energías de excitación de los electrones. Sims propuso por primera vez a finales de 1960 que podría ser posible un enfoque cuántico, pero su aplicación a algo más de dos electrones hacía necesarios un conjunto diabólicamente difícil de cálculos que, hasta hace poco, estaba más allá de la capacidad de los ordenadores más rápidos del mundo. En 2006, el equipo utilizó una combinación nueva de algoritmos, la computación de precisión y el aumento de la potencia producida por la computación paralela para calcular los valores más precisos jamás alcanzados para una simple molécula de hidrógeno de dos elctrones.
Al hacer mejoras a los algoritmos, Sims y Hagstrom ahora han sido capaces de aplicar su enfoque al problema mucho más difícil del litio, que tiene tres electrones. Gran parte de la dificultad inicial con su método se deriva del hecho de que en los átomos con más de un electrón las fuerzas repulsivas mutuas entre estas pequeñas partículas elementales introducen complicaciones que hacen que los cálculos insuman un tiempo considerable, si no prácticamente imposible.
Sims dice que mientras que el cálculo de litio es valioso en sí mismo, la más profunda importancia de refinar su método es que debe permitir el cálculo de energías de excitación para el berilio, que tiene cuatro electrones. A su vez, este logro debería permitir a los teóricos predecir con mayor exactitud los valores de todos los elementos restantes de la segunda fila de la tabla periódica, del berilio al neón, y posiblemente el resto de la tabla periódica. "Los problemas matemáticos que tenemos con varios electrones pueden reducirse a los problemas con cuatro electrones", dice Sims, un químico cuántico en la división de ciencias matemáticas y computacionales. "Una vez que hemos abordado aquello, las matemáticas para los otros elementos no son más difíciles, sólo hay más números involucrados".
Para obtener sus resultados, los investigadores utilizaron 32 procesadores en paralelo en un cluster de computadoras NIST, donde están trabajando actualmente en los cálculos para el berilio.
Determinar con la más alta precisión posible las energías de excitación es de un gran interés para los científicos e ingenieros, que caracterizan y modelan todos los tipos de sistemas gaseosos, incluyendo los plasmas y las atmósferas planetarias. Otras áreas de aplicación incluyen la astrofísica y la física de la salud.
James Sims, de NIST y Stanley Hagstrom, de IU, han calculado cuatro energías de excitación del átomo de litio, valores aproximadamente 100 veces más precisos que los obtenidos con cálculos o mediciones experimentales anteriores. La determinación exacta de la energía de excitación, la cantidad necesaria para elevar un átomo de un nivel de energía de base al inmediatamente superior, tiene un valor intrínseco para la investigación fundamental en el comportamiento de los átomos, pero el éxito del método que el equipo ha empleado tiene implicaciones que van más allá del litio únicamente.
Los teóricos han superado los principales obstáculos de cómputo y conceptuales que durante décadas han impedido a los investigadores el uso de la mecánica cuántica para predecir las energías de excitación de los electrones. Sims propuso por primera vez a finales de 1960 que podría ser posible un enfoque cuántico, pero su aplicación a algo más de dos electrones hacía necesarios un conjunto diabólicamente difícil de cálculos que, hasta hace poco, estaba más allá de la capacidad de los ordenadores más rápidos del mundo. En 2006, el equipo utilizó una combinación nueva de algoritmos, la computación de precisión y el aumento de la potencia producida por la computación paralela para calcular los valores más precisos jamás alcanzados para una simple molécula de hidrógeno de dos elctrones.
Al hacer mejoras a los algoritmos, Sims y Hagstrom ahora han sido capaces de aplicar su enfoque al problema mucho más difícil del litio, que tiene tres electrones. Gran parte de la dificultad inicial con su método se deriva del hecho de que en los átomos con más de un electrón las fuerzas repulsivas mutuas entre estas pequeñas partículas elementales introducen complicaciones que hacen que los cálculos insuman un tiempo considerable, si no prácticamente imposible.
Sims dice que mientras que el cálculo de litio es valioso en sí mismo, la más profunda importancia de refinar su método es que debe permitir el cálculo de energías de excitación para el berilio, que tiene cuatro electrones. A su vez, este logro debería permitir a los teóricos predecir con mayor exactitud los valores de todos los elementos restantes de la segunda fila de la tabla periódica, del berilio al neón, y posiblemente el resto de la tabla periódica. "Los problemas matemáticos que tenemos con varios electrones pueden reducirse a los problemas con cuatro electrones", dice Sims, un químico cuántico en la división de ciencias matemáticas y computacionales. "Una vez que hemos abordado aquello, las matemáticas para los otros elementos no son más difíciles, sólo hay más números involucrados".
Para obtener sus resultados, los investigadores utilizaron 32 procesadores en paralelo en un cluster de computadoras NIST, donde están trabajando actualmente en los cálculos para el berilio.
Fuente:
Theorists Close In on Improved Atomic Property Predictions
Datos útiles:
• Hidrógeno
• Litio
• Berilio
Theorists Close In on Improved Atomic Property Predictions
Datos útiles:
• Hidrógeno
• Litio
• Berilio
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