SG.hu·
Álcázott héliummal tesztelték a kvantumelméletet
Napjainknak is megvannak a maga alkimistái, akiknek sikerült becsapniuk a hidrogénatomokat, hogy azok sajátjuknak tekintsenek egy héliumatomot. Az álcázott atom kémiailag úgy viselkedik mint egy hidrogén, tömege azonban négyszer nagyobb, ami lehetővé teszi az atomtömeg a reakciók sebességére gyakorolt hatásának vizsgálatát.
Egy héliumatom magja két pozitív töltésű protonból és két neutronból áll, melyek körül két negatív töltésű elektron kering. Egy hidrogénatom mindössze egy protonnal és egy elektronnal rendelkezik. Donald Fleming a kanadai Brit Kolumbia Egyetem kutatója munkatársaival elérte, hogy a héliumatom egyik keringő elektronjának egy, az elektronnál jóval nehezebb müonra való lecserélésével hidrogénatomnak álcázzon egy héliumot. Nagy tömege miatt a müon kétszázszor közelebb helyezkedik el a hélium magjához, mint a lecserélt elektron, kiiktatva a mag egyik pozitív töltését. A megmaradt elektron innentől kezdve úgy viselkedik, mintha egy mindössze egyetlen pozitív töltéssel bíró mag körül keringene, vagyis pontosan úgy, mint egy hidrogénatom elektronja. A különbség az, hogy a nukleusz 4,1-szer nagyobb tömegű a megszokottnál.
Fleming és kollégái a tömeg segítségével a kémiai reakciók sebességre gyakorolt hatást tesztelte a "szupernehéz hidrogénnel". Egy magányos hidrogénatom úgy alkot új hidrogénmolekulát, hogy elcseni egy létező hidrogénmolekula két atomjának egyikét, ahhoz azonban, hogy ez megtörténjen, elég energiájának kell lennie a meglévő molekula kötésének megbontásához.
A kvantum mechanika szerint nem mindig szükséges átmászni ezen az energia korláton, helyette a részecskék át is "alagutazhatnak" rajta. Azonban minél nehezebb egy részecske, annál nehezebb az alagutazás, vagyis annál ritkább a reakció. Két hidrogénizotóp, egy vagy két neutronnal és két- vagy háromszoros normál hidrogén-tömeggel alkalmazható lenne ennek leteszteléséhez, a kutatók azonban ennél nagyobb tömeget szerettek volna. Egy három neutront tartalmazó izotóp azonban már túlságosan gyorsan bomlik ahhoz, hogy reakcióba lépjen egy hidrogénmolekulával, a problémát végül a vele közel azonos tömegű müonos hélium oldotta meg, ami elég ideig fennmarad a kísérletek elvégzéséhez.
Fleming csapata az Egyetem TRIUMF gyorsítója által előállított müonokat injektált egy héliumfelhőbe. A héliumatomok foglyul ejtették a müonokat, majd elhúzták a hidrogénatomokat a molekuláris hidrogéntől és kötést létesítettek. A csapat összehasonlította, meddig tart ugyanez a reakció egyszerű hidrogénatomokkal, illetve egy ultra könnyű hidrogén típussal, az úgynevezett müoniummal, melynek reakciósebességét 1987-ben rögzítették. Utóbbit a kémikusok a hidrogénatom protonjának egy antimüonnal, a müon pozitív töltésű antianyag-társával történő helyettesítésével érték el.
Ahogy azt várták, az álcázott héliummal való reakció volt a leglassabb, amit a normál hidrogén, majd a könnyű hidrogén követett. A sebességek tökéletesen megegyeztek a kvantum mechanikai számítások által megjósoltakkal, amit Fleming munkatársa, Donald Truhlar, az amerikai Minnesota Egyetem tudósa végzett el. Elméletben bármely fizikai rendszer időben történő változása előrejelezhető részecskéi kvantumállapotából. A legtöbb reakció azonban túl sok részecskét foglal magába, hogy ez a gyakorlatban is használható legyen, a hidrogén reakció viszont elég egyszerű volt, tette hozzá Truhlar.
Egy héliumatom magja két pozitív töltésű protonból és két neutronból áll, melyek körül két negatív töltésű elektron kering. Egy hidrogénatom mindössze egy protonnal és egy elektronnal rendelkezik. Donald Fleming a kanadai Brit Kolumbia Egyetem kutatója munkatársaival elérte, hogy a héliumatom egyik keringő elektronjának egy, az elektronnál jóval nehezebb müonra való lecserélésével hidrogénatomnak álcázzon egy héliumot. Nagy tömege miatt a müon kétszázszor közelebb helyezkedik el a hélium magjához, mint a lecserélt elektron, kiiktatva a mag egyik pozitív töltését. A megmaradt elektron innentől kezdve úgy viselkedik, mintha egy mindössze egyetlen pozitív töltéssel bíró mag körül keringene, vagyis pontosan úgy, mint egy hidrogénatom elektronja. A különbség az, hogy a nukleusz 4,1-szer nagyobb tömegű a megszokottnál.
Fleming és kollégái a tömeg segítségével a kémiai reakciók sebességre gyakorolt hatást tesztelte a "szupernehéz hidrogénnel". Egy magányos hidrogénatom úgy alkot új hidrogénmolekulát, hogy elcseni egy létező hidrogénmolekula két atomjának egyikét, ahhoz azonban, hogy ez megtörténjen, elég energiájának kell lennie a meglévő molekula kötésének megbontásához.
A kvantum mechanika szerint nem mindig szükséges átmászni ezen az energia korláton, helyette a részecskék át is "alagutazhatnak" rajta. Azonban minél nehezebb egy részecske, annál nehezebb az alagutazás, vagyis annál ritkább a reakció. Két hidrogénizotóp, egy vagy két neutronnal és két- vagy háromszoros normál hidrogén-tömeggel alkalmazható lenne ennek leteszteléséhez, a kutatók azonban ennél nagyobb tömeget szerettek volna. Egy három neutront tartalmazó izotóp azonban már túlságosan gyorsan bomlik ahhoz, hogy reakcióba lépjen egy hidrogénmolekulával, a problémát végül a vele közel azonos tömegű müonos hélium oldotta meg, ami elég ideig fennmarad a kísérletek elvégzéséhez.
Fleming csapata az Egyetem TRIUMF gyorsítója által előállított müonokat injektált egy héliumfelhőbe. A héliumatomok foglyul ejtették a müonokat, majd elhúzták a hidrogénatomokat a molekuláris hidrogéntől és kötést létesítettek. A csapat összehasonlította, meddig tart ugyanez a reakció egyszerű hidrogénatomokkal, illetve egy ultra könnyű hidrogén típussal, az úgynevezett müoniummal, melynek reakciósebességét 1987-ben rögzítették. Utóbbit a kémikusok a hidrogénatom protonjának egy antimüonnal, a müon pozitív töltésű antianyag-társával történő helyettesítésével érték el.
Ahogy azt várták, az álcázott héliummal való reakció volt a leglassabb, amit a normál hidrogén, majd a könnyű hidrogén követett. A sebességek tökéletesen megegyeztek a kvantum mechanikai számítások által megjósoltakkal, amit Fleming munkatársa, Donald Truhlar, az amerikai Minnesota Egyetem tudósa végzett el. Elméletben bármely fizikai rendszer időben történő változása előrejelezhető részecskéi kvantumállapotából. A legtöbb reakció azonban túl sok részecskét foglal magába, hogy ez a gyakorlatban is használható legyen, a hidrogén reakció viszont elég egyszerű volt, tette hozzá Truhlar.