He2 molekula • Igor Ivanov • ismeretterjesztő feladatok a „elemek» • Fizika

Ábra. 1. Szimulált kép He2 molekula. Két héliumatomokkal (amelyek közül az egyik szintén izgatott) mutatjuk távol hangsúlyozni szokatlanul nagy Ő-Ő kötéshossz. A fényképek a helyszínen www.atom.uni-frankfurt.de

Molekulák - stabil vegyületek atomok - képződnek annak a ténynek köszönhető, hogy az atomok képesek „share” egymással elektronok. A molekulák stabilitását jellemezhető disszociációs energia (vagy kötési energia), vagyis az energia, ami szükséges, hogy át a molekula osztott két részre (a kétatomos molekulák - kell osztani két különböző atom). Ennek értéke az energia függ az eszköz az elektron pályák atomok: durván szólva, annál valószínűbb az atomok részesedése elektronok, annál erősebb a kötés, és így a nagyobb disszociációs energia. A túlnyomó többsége molekulák elég erős kötés; az energia egy pár vagy néhány tized elektronvolt. Ami a makroszkopikus mennyiségben ebben a sorrendben a száz kJ per mol hatóanyagra, hanem egységekben a hőmérséklet, és ez megfelel a több ezer vagy több tízezer fok (azonban a tényleges molekuláris disszociáció kezdődik jóval alacsonyabb hőmérsékleten). Másik következménye, meglehetősen erős kémiai kötés van a kompakt méret a molekulák: a tartalmaznak a molekulában ülnek egymás mellett a parttól nagyságrendű atom méretű.

Elég egyedi kivétel ez alól a dimer hélium. He2 molekula. Ez a váratlanul nagy molekula - az átlagos az atomok közötti távolság hélium sokkal nagyobb, mint a méretük. Emiatt a hélium dimer rendkívül kis kötési energia, ami egytizede a mikro- elektron! Egy ilyen molekula megsemmisül nemcsak szobahőmérsékleten, hanem hőmérsékleten akár millikelvins. Egy joggal mondhatjuk, hogy ez egy törékeny molekula ismert.

Mára kidolgozott számos módon lehet mérni ezt a dimenziót. Egyikük - a tisztán geometrikus, a második egy egyszerű kvantum tulajdonságai számít. Mindenesetre, hadd magyarázza, hogy a molekula He2 kell elképzelni nem a szokásos „súlyzó”, amelyben két, többé-kevésbé lokalizált atommal elválasztott nagy távolság (ábra. 2, bal), és egy nagy gömb alakú felhő, ahol elkenődött két héliumatom (ábra. 2, jobbra).

Egy egyszerű kísérlet, hogy meghatározzuk a He2 molekula mérete, hogy átmenjen egy folyó hideg hélium át egy finom szitán ismert mesh méretű (ábra. 3). Hélium, dimer molekula szabadon repül a háló, csak akkor, ha a tömegközéppontja jelentkeznek a szögletes bar. Ellenkező molekula „dörömböl” a képernyőn, és egy csap esik szét az egyes atomok. Mérésével mennyire hatékony mérete He2 sejt eltér a tényleges geometriai mérete (ami lehet tenni, hogy összehasonlítjuk a valószínűsége az áthaladás a hélium atom és annak dimerjét), meg tudjuk határozni a molekulák méretét.

A második módszer, amely felhasználja a kvantum tulajdonságait az anyag, az, hogy megvizsgálja e molekulák diffrakciós rács egy nanoméretű. Anyagok molekulái, valamint a fény, van hullám tulajdonságokkal rendelkeznek, és ezért képesek tesztelés diffrakciós. Diffrakciós rács vezet az a tény, hogy a mozgás a fény (vagy részecskék) eltér egy egyenes vonal egy bizonyos meghatározott szögben - nyert diffrakciós csúcsok (lásd a 4. ábrát ..). A törvény, amely szerint a Ezen csúcsok intenzitása csökken a növekvő szögben, határozza meg a tényleges szélessége a rés, amely a dimer molekulák hélium kevesebb, mint a tényleges szélessége. Ez a függőség is lehet felfogni, és hogy elvegye a molekula méretétől.

Ábra. 4. rajz hullám intenzitása kép miután áthaladt a diffrakciós rács. Azaz, mivel az erős diffrakciós csúcsok a távolsággal csökken méretétől függ a rés a rács. A fényképek a helyszínen www.animatedscience.co.uk

utószó

Itt érdemes ismét meg Fig. 2. Az a tény, hogy az átlagos távolságot atomok közötti hélium a dimer körülbelül 52 nm-nél, nem jelenti azt, hogy az atomok forog egymáshoz képest egy ilyen távolság. Tény, hogy a két atom terülnek nagyon sokféle távolságra, majd néhány száz nm (!). Ábra. Az 5. ábra az elméletileg számított hullámfüggvény dimer függően atomközi távolságok. Érdekes megjegyezni, hogy az ilyen abnormálisan széles körű és aszimmetrikus eloszlása ​​vezet az a tény, hogy az átlagos (azaz a súlyozott átlagos) atomközi távolsági nem esik egybe a legvalószínűbb távolságot (ahol a hullám funkció maximum).

Tehát maszatos molekula - a jelenség meglehetősen szokatlan, atomfizika, és mivel a kísérletezők már keresi a módját, hogy ne csak az intézkedés az átlagos atomi távolság, hanem, hogy teszteljék a profil maga a hullámfüggvény. Ez úgy történt, mint a közelmúltban, mint tavaly. segítségével az úgynevezett Coulomb robbanás a molekula. Amikor egy molekula elnyeli egy fotont, gyorsan kirepül egy vagy több elektront. Ebben az esetben, által kezelt egyetlen foton egyértelmű egy elektront a hélium. Ennek eredményeként nem volt nyoma a kémiai kötés: két hélium ion erősen kezdtek taszítják egymást, és szétszóródtak különböző irányokba. A sarkok és felgyorsítja a távozása az elektronok és az atommagok visszaállíthatja mi a feltétele a mag idején ionizáció.

Az utolsó érdekes dolog, hogy érdemes megemlíteni itt utal izotópjai hélium. Minden ismertetett kísérletek végeztünk hélium-4. Könnyebb izotóp hélium, hélium-3 nem képezik dimerek. Kémiai kötés He-He vele azonos, de a kvantum jitter hélium-3 atomot erősebb, és ezért nem tudják, hogy együtt maradnak. Annak érdekében, hogy tartsa az atomok a hélium-3 egy kompakt klaszter van szükség, mert a két, nem három, nem négy, de körülbelül 30 atom. Csak akkor lesz a kölcsönös vonzás elég erős ahhoz, hogy megtartsa a atomokat. Ahhoz, hogy ez költői, azt mondhatjuk, hogy a hélium-3 - olyan anyag, amely nem indul el a molekulák és cseppek.