Група канадських і американських учених отримала надважкі і надлегкі «ізотопи» водню і з'ясувала, як змінюється швидкість найпростішої реакції заміщення при використанні таких атомів.

Природні ізотопи, дейтерій і тритій, за масою перевершують звичайний водень в два і три рази. У хімічному плані вони практично ідентичні, але розрахунки в рамках квантової механіки показують, що швидкість протікання хімічних реакцій з їх участю повинна незначно змінюватися.

Для того щоб перевірити обчислення експериментально, необхідно створити нові ізотопи, сильніше відрізняються один від одного. Автори вирішили поставлену задачу за допомогою мюонів, одержуваних на ванкуверському прискорювачі TRIUMF. Ці частинки в цілому нагадують електрони, масу яких збільшили приблизно в 200 разів. Ще одна відмінність полягає в тому, що середній час життя мюона становить 2,2 мкс; при роботі з «псевдоводородом» фізикам доводилося діяти швидко.

Надлегкий варіант (так званий мюонія) був отриманий заміщенням протона в атомі водню на позитивно заряджений мюон, маса якого становить лише 11% від маси протона. Обтяжену версію водню дослідники створили на основі гелію, підставивши замість одного з двох його електронів негативно заряджений мюон. Важкий мюон розташовується ближче до ядра гелію, освіченій двома протонами і двома нейтронами, і екранує заряд одного з протонів, в результаті чого атом набуває схожість з воднем, у «ядрі» якого знаходяться чотири вихідні частинки і мюон. Маса такого варіанту водню дорівнює 4,1 а. е. м.

У дослідах спостерігалася реакція заміщення виду H + H2 → H2 + H. Виміряні константи швидкості реакції виявилися близькі до значень, передбаченим теоретично.

Не можна сказати, що такий результат легко прогнозувався. При обчисленнях теоретики намагаються максимально спростити завдання і користуються наближенням Борна – Оппенгеймера, згідно з яким електрони миттєво встигають підлаштуватися під будь-яка зміна координат ядер. У випадку електронів і протонів, які знаходяться в різних вагових категоріях, спрощення адекватно описує ситуацію, але перехід до більш важких мюонами міг різко знизити точність розрахунків; на щастя, цього не сталося.

У найближчому майбутньому автори займуться дослідженням більш складної реакції H + CH4.

За матеріалами: Nature News

Tweet

РОЗРОБКА ВЕБ-САЙТІВ, ПРОСУВАННЯ В ІНТЕРНЕТІ