En serie komplicerade experiment som involverar ett av de minst förstådda delarna av det periodiska systemet har vänt upp och ner på några av den vetenskapliga världens grundsatser som länge har funnits.

Forskare från Florida State University fann att teorin om kvantmekanik inte på ett tillfredsställande sätt förklarar hur de tyngsta och mest sällsynta elementen som finns i slutet av tabellen fungerar. Istället, en annan välkänd vetenskaplig teori – Albert Einsteins berömda relativitetsteori – hjälper till att styra beteendet hos de sista 21 elementen i det periodiska systemet.

Denna nya forskning publiceras i Journal of the American Chemical Society .

Kvantmekaniken är i huvudsak reglerna som styr hur atomer beter sig och förklarar det kemiska beteendet hos de flesta av elementen på bordet. Men, Thomas Albrecht-Schmitt, Gregory R. Choppin professor i kemi vid FSU, fann att dessa regler är något åsidosatta av Einsteins relativitetsteori när det gäller det tyngre, mindre kända grundämnen i det periodiska systemet.

"Det är nästan som att vara i ett alternativt universum eftersom du ser kemi som du helt enkelt inte ser i vardagliga element, " sa Albrecht-Schmitt.

Studien, som tog mer än tre år att slutföra, involverade grundämnet berkelium, eller Bk på det periodiska systemet. Genom experiment som involverade nästan två dussin forskare över hela FSU campus och FSU-huvudkontoret National High Magnetic Field Laboratory, Albrecht-Schmitt gjorde föreningar av berkelium som började uppvisa ovanlig kemi.

De följde inte kvantmekanikens normala regler.

Specifikt, elektronerna ordnade sig inte runt berkeliumatomerna på det sätt som de organiserade runt lättare grundämnen som syre, zink eller silver. Vanligtvis, forskare förväntar sig att se elektroner radas upp så att de alla vetter åt samma håll. Detta styr hur järn fungerar som en magnet, till exempel.

Dock, dessa enkla regler gäller inte när det kommer till grundämnen från berkelium och därutöver eftersom vissa av elektronerna ställer upp motsatsen till hur forskare länge har förutspått.

Albrecht-Schmitt och hans team insåg att Einsteins relativitetsteori faktiskt förklarade vad de såg i berkeliumföreningarna. Under relativitetsteorin, ju snabbare allt med massrörelser, desto tyngre blir det.

Eftersom kärnan i dessa tunga atomer är mycket laddad, elektronerna börjar röra sig med betydande bråkdelar av ljusets hastighet. Detta gör att de blir tyngre än normalt, och reglerna som vanligtvis gäller för elektronbeteende börjar gå sönder.

Albrecht-Schmitt sa att det var "spännande" när han och hans team började observera kemin.

"När du ser detta intressanta fenomen, du börjar ställa dig alla dessa frågor som hur kan du göra det starkare eller stänga av det, " sa Albrecht-Schmitt. "För några år sedan, ingen trodde ens att du kunde göra en berkeliumförening."

Berkelium har mest använts för att hjälpa forskare att syntetisera nya grundämnen som element 117 Tennessine, som lades till i tabellen förra året. Men lite har gjorts för att förstå vad elementet – eller flera av dess grannar på borden – ensamt kan göra och hur det fungerar.

Department of Energy gav Albrecht-Schmitt 13 milligram berkelium, ungefär 1, 000 gånger mer än någon annan har använt för stora forskningsstudier. För att göra dessa experiment, han och hans team var tvungna att röra sig exceptionellt snabbt. Elementet minskar till hälften av mängden på 320 dagar, vid vilken tidpunkt det inte är tillräckligt stabilt experiment.