Акустична хімія: американська фізик уперше перетворила всі хімічні елементи періодичної таблиці на звук. Кожен атом представлений окремим звуком зі своєю висотою й тривалістю. Акустичні ознаки визначили на підставі спектральних ліній елементів. У результаті звуковий спектр легших елементів охоплює інші тони, ніж спектр важких металів, оскільки лінії в їхніх спектрах розсіюються з різною шириною.
Як звучить світловий спектр водню при перетворенні в чутні звукові частоти? Зображення: Jill Linz/ APS
Як звучить білок? А як звучать космічні явища, зокрема чорна діра чи наше Сонце? Вчені вже тривалий час намагаються зробити фізичні явища більш зрозумілими, перетворивши їх на звуки, придатні для прослуховування. Для цього вони перетворюють високочастотні коливання молекул, сплески радіації або навіть повільні коливання сонячної плазми на звуки, які ми можемо почути.
Зараз американська науковиця Джилл Лінц (Jill Linz) застосувала цей принцип до періодичної таблиці елементів. Вона використала спектральні лінії різних елементів як основу для перетворення атомних ознак у звук. Лінії дають про себе знати при поверненні атомів зі стану збудження до основного стану, що наступає, наприклад, під впливом тепла або радіації. У цьому випадку атоми випромінюють надлишок енергії. Властивості цього випромінювання варіюються залежно від елемента.
Довжина хвиль спектральних ліній, їхня кількість і розподіл в електромагнітному спектрі формують унікальний спектральний відбиток кожного хімічного елемента. Його використовують дослідники, наприклад, для ідентифікації газів в атмосферах екзопланет або для визначення складу матеріалів.
Для перетворення в тони Лінц перенесла спектр довжин хвиль у частотний спектр чутного звуку. Зображення: Jill Linz /CC-by 4.0
Ці індивідуальні спектри атомів Лінц взяла за основу і для перетворення хімічних елементів на звук: “Явища на кшталт світла, звуку і водяних хвиль загалом мають дуже схожі властивості: незалежно від їхніх специфічних властивостей, їх можна описати однаковими математичними і графічними процедурами”, – пояснила Лінц. Тому для своїх звукових елементів вона перенесла смугу пропускання електромагнітного спектра в частотний спектр звуку, який можна почути.
Так, окремі спектральні лінії кожного атома виглядають як окремі моночастотні тони. Аби скласти карту спектрального відбитка елемента, який зазвичай складається з багатьох ліній, фізик об'єднала різні тони окремих спектральних ліній. Їх відповідна частка в загальному звуці є результатом інтенсивності ліній, що проявляється в гучності звуку. Результатом такого звукоутворення стала акустична періодична таблиця, в якій кожен атом представлений індивідуальним тоном.
Лінц опублікувала акустичну періодичну таблицю тут.
Порівняння деяких атомних тонів. Зображення: Einige Atomtöne im Vergleich.© Jill Linz /CC-by 4.0.
Як звучить періодична таблиця? Чи можна акустично відрізнити різні групи елементів – лужні метали, інертні гази чи галогени? Ні, пояснює Лінц. Адже хімічні властивості цих груп визначаються кількістю та взаємодією їхніх зовнішніх електронів.
Спектральні лінії натомість мають у своїй основі індивідуальні енергетичні переходи в електронній оболонці. “Логічно, що групи періодичної таблиці не створюють тих самих закономірностей, що і їхні спектральні лінії”, – пояснила вчена.
Проте між деякими елементами, безумовно, існує помітна схожість. Елементи з меншою атомною масою, зокрема водень, вуглець або кисень, переважно видають звуки з більшим дисонансом. Причина в тому, що їхні індивідуальні спектральні лінії дуже широко розподілені по спектру. Натомість важчі елементи – наприклад, важкі метали – мають вищі, чисті тони, оскільки їхні спектральні лінії часто тісно згруповані.
Однак це зовсім не всі закономірності, які можна виявити завдяки атомним тонам. Тож у майбутньому Лінц хотіла б дослідити, що породжує ці кореляції та яку інформацію вчені можуть надати про атоми та їхню структуру через звук. “Я підозрюю, що створила новий інструмент для дослідження атомного світу, – каже вчена. – Сподіваюся, інші також зможуть з нього скористати”.
Nadja Podbregar
American Physical Society (APS)12/01/2023
183rd Meeting of the Acoustical Society of America, 2022 рік
19.02.2023