Fig. 1. Imaginea condiționată a moleculei He2. Doi atomi de heliu (dintre care unul este și excitat) sunt descriși departe unul de celălalt pentru a evidenția lungimea de cuplare He-He neobișnuit de mare. Imagine de la www.atom.uni-frankfurt.de
Molecule - compuși stabili atomi - se formează datorită faptului că atomii sunt capabili să „share“ cu fiecare alți electroni. Stabilitatea moleculelor poate fi caracterizată printr-o energie de disociere (sau energia de legare), adică energia care este necesară pentru a transfera molecula să se împartă în două părți (pentru molecule diatomice - să fie împărțită în doi atomi separate). Valoarea acestei energii depinde de dispozitivul cojilor de electroni de atomi: aproximativ vorbind, cu atât mai probabil atomii electroni parts, cu atât mai puternică legătură, și, astfel, este mai mare energia de disociere. În marea majoritate a moleculelor, legătura este suficient de puternică; energia sa este unitate sau zeci de electroni volți. În ceea ce privește cantitățile macroscopice ale acestui ordin de o sută de KJ pe mol de substanță, dar în unități de temperatură și acest lucru corespunde cu mii la zeci de mii de grade (cu toate acestea, disociere moleculară reală începe la temperaturi mult mai scăzute). O altă consecință a legăturii chimice destul de puternic este dimensiunea compactă a moleculelor: atomii din moleculă sunt stând lângă unul de altul la o distanță de ordinul de mărime atom.
O excepție complet unică la acest model este dimerul heliului. molecula He2. Aceasta este o moleculă neașteptat de mare - distanța medie dintre atomii de heliu este mult mai mare decât dimensiunea lor. Din acest motiv, dimerul de heliu are o energie de legare extrem de scăzută, aproximativ o zecime din microelectronvolt! O astfel de moleculă este distrusă nu numai la temperatura camerei, ci și la temperaturi până la millikelvin. Puteți spune pe bună dreptate că aceasta este cea mai fragilă moleculă cunoscută până în prezent.
Până în prezent, există mai multe moduri de a măsura această dimensiune. Unul dintre ele este pur geometric, iar al doilea folosește cele mai simple proprietăți cuantice ale materiei. În orice caz, să explice că molecula He2 trebuie să ne imaginăm nu ca de obicei „haltere“, în care un atom două mult sau mai puțin localizate separate de o distanță mare (fig. 2, stânga), și un nor sferic mare, în care două unse atom de heliu (figura 2, dreapta).
Cel mai simplu experiment pentru a determina dimensiunile moleculei He2 este să treacă un jet rece de heliu printr-un ecran fin cu dimensiuni cunoscute ale celulelor (Figura 3). Molecula dimerului de heliu poate zbura prin celula ecranului neîngrădită numai dacă centrul său de masă cade în interiorul pătratului punctat. Altfel, molecula va "bate" pe ecran și se va despărți de impactul asupra atomilor individuali. Prin masurarea modul în care dimensiunea efectivă pentru celula He2 diferită de dimensiunea geometrică reală (care se poate face prin compararea probabilității de trecere pentru atom heliu și dimerului său), putem determina mărimea moleculelor.
A doua metodă, care folosește proprietățile cuantice ale materiei, este de a studia difracția acestor molecule pe o rețea de difracție la scară nanometrică. Moleculele de materie, ca lumina, au proprietăți de undă și, prin urmare, sunt capabile să experimenteze difracția. Difracția grilaj conduce la faptul că mișcarea luminii (sau particule) se abate de la o linie dreaptă la un anumit unghi specific - vârfuri de difracție obținute (a se vedea figura 4 ..). Legea potrivit căreia intensitatea acestor vârfuri scade odată cu creșterea unghiului, determinat de lățimea efectivă a diferenței, care, pentru moleculele de dimer de heliu mai mică decât lățimea reală. Această dependență poate fi, de asemenea, măsurată și extrasă de aici de mărimea moleculei.
Fig. 4. Reprezentarea schematică a intensității valului după trecerea grâului de difracție. Modul în care intensitatea vârfurilor de difracție scade cu distanța depinde de dimensiunea spațiului din rețea. Imagine de la www.animatedscience.co.uk
postfață
Aici este util să se uite din nou la Fig. 2. Faptul că distanța medie dintre atomii de heliu în dimer este de aproximativ 52 angstromi, nu înseamnă că atomii se învârt în raport cu celălalt pe o astfel de distanță. De fapt, cei doi atomi se întind pe o gamă foarte largă de distanțe de la câteva sute la câteva angstromi (!). În Fig. 5 prezintă funcția de undă calculată teoretic a dimerului ca funcție a distanței interatomice. Este interesant de notat că o astfel de distribuție anormal de largă și nesimetrice conduce la faptul că media (adică medie ponderată) distanța interatomică nu coincide cu distanța cea mai probabilă (în cazul în care funcția de undă este maximă).
Deci uns molecula - un fenomen destul de neobișnuit pentru fizica atomică, și pentru că experimentatorii au fost în căutarea pentru o modalitate de a măsura nu numai distanța medie interatomică, dar, de asemenea, pentru a testa profilul însuși al funcției de undă. Acest lucru sa întâmplat destul de recent, anul trecut. cu ajutorul așa-numitei explozii Coulomb a unei molecule. Când o moleculă absoarbe un foton, unul sau mai mulți electroni scapă repede de el. În acest caz, a fost posibil să scoatem un electron din fiecare atom de heliu cu ajutorul unui singur foton. Drept urmare, legătura chimică nu a lăsat urme: doi ioni de heliu au început să se opună puternic și să se împrăștie în direcții diferite. Din unghiurile și vitezele emisiei de electroni și nuclei, putem reconstrui starea în care nucleele erau în momentul ionizării.
Ultimul lucru curios care trebuie menționat aici se referă la izotopii heliului. Toate experimentele descrise au fost efectuate cu heliu-4. Izotopul heliu mai ușor, heliul-3, nu formează dimeri deloc. Legătura chimică He-He în ea este aceeași, dar jitterul cuantic al atomilor de heliu-3 este mai puternic și, prin urmare, nu pot să țină împreună. Pentru a menține atomii de heliu-3 într-un grup compact, nu sunt necesare două, nu trei, nu patru, dar aproximativ 30 de atomi. Numai atunci atracția lor reciprocă este suficient de puternică pentru a menține atomii împreună. Poetic, se poate spune că heliul-3 este o substanță care nu pornește cu molecule, ci cu picături.
Trimiteți-le prietenilor: