„Mokslininkams pavyko „apmulkinti“ vandenilio atomus taip, kad šie saviškiu palaikė helio atomą!“ Tai – ne trumpas anekdotas iš chemikų tinklaraščio, o gana alchemiška nūdienos chemijos mokslo realybė. Pasirodo, „užmaskuotas“ helio atomas chemiškai elgiasi taip, tarsi tai būtų įprastas vandenilio atomas, nors už tokį yra sunkesnis net 4 sykius. Tokia helio maskuotė provokuoja „skyrybas“ vandenilio molekulėse.
Įprastą helio atomą sudaro du teigiamo krūvio protonai, du bekrūviai neutronai (tai – atomo branduolys) bei aplink jį orbitomis skriejantys du neigiamą krūvį nešantys elektronai. Žinia, vandenilio atome protonų, neutronų ir elektronų rastume tik po vieną.
Britų Kolumbijos universiteto (Vankuveris, Kanada) mokslininkas Donaldas Flemingas (Donald Fleming) su kolegomis įsigudrino helio atomą užmaskuoti taip, kad šis chemiškai atrodytų kaip vandenilis. Triuką fizikas atliko vieną helio elektroną pakeisdamas už elektroną kur kas daugiau sveriančia dalele miuonu.
Dėl didesnės masės miuonas skrieja maždaug 200 kartų arčiau helio branduolio nei pakeistasis elektronas. Be to, miuonas eliminuoja vieną iš dviejų branduolio protonų krūvių. Tokioje situacijoje, aplink helio branduolį skrieti likusiam vienišam elektronui „atrodo“, kad jis skrieja aplink vieną protoną – tokia struktūra pasižymi vandenilio atomas. Skirtumas tik tas, kad branduolio masė yra 4,1 karto didesnė už normalaus vandenilio atomo branduolio masę.
Helio atome vieną iš dviejų elektronų galima pakeisti miuonu. Kadangi miuonas yra sunkesnis už elektroną, jis skrieja arčiau atomo branduolio ir pridengia pusę branduolio teigiamo krūvio. Naujasis atomas chemiškai “elgiasi" kaip vandenilis, nors yra sunkesnis net 4 sykius. NewScientist iliustr.
D.Flemingas su kolegomis modifikuotąjį atomą, kurį pavadino „super-sunkiu vandeniliu“ („Super-heavy hydrogen“), išmėgino cheminėse reakcijose. Paprastai laisvas vandenilio atomas gali nesunkiai suformuoti naują vandenilio molekulę H2, į porą „nusigvelbdamas“ atomą iš bet kurios kitos vandenilio molekulės. Tačiau kad taip nutiktų, pirma reikia pakankamai energijos, kuria būtų suardyti pasirinktosios molekulės ryšiai.
Pagal kvantinės mechanikos dėsnius, tokį energetinį barjerą ne visada yra būtina apeiti – dalelės tokį gali tiesiog „perskrosti“. Tiesa, kuo sunkesnė dalelė, tuo sunkiau jai seksis „skrosti“ tą kliūtį ir tuo mažesnė tikimybė „nusivilioti“ pasirinktąjį partnerį.
Tokį triuką gali atlikti du dvigubai ar trigubai už įprastą atomą sunkesni vandenilio izotopai, branduolyje turintys vieną ar du neutronus. Egzistuoja ir dar sunkesnis vandenilio izotopas (su trimis neutronais branduolyje), tačiau toks izotopas yra labai nestabilus ir labai greitai suyra. O štai miuonizuotas helis, kurio masė yra tokia pati, kaip ir anksčiau minėto stabilesniojo vandenilio izotopo, egzistuoja pakankamai ilgai, kad spėtų sudalyvauti vienoje reakcijoje su vandenilio molekule.
D.Flemingo vadovaujama tyrėjų grupė laboratorijoje paleido miuonų srautą į dujų debesį, kurį sudarė helis, molekulinis vandenilis ir amoniakas. Miuonų „paragavę“ helio atomai begėdiškai išardė molekulinio vandenilio atomų poras, prisiviliojo po vieną iš buvusių porų partnerių ir su jais užmezgė naujus partnerystės saitus, t.y, suformavo naujas molekules.
Mokslininkai palygino šių reakcijų trukmę su anksčiau atliktų panašių eksperimentų rezultatais: vieno iš jų metu vietoj helio buvo naudojamas įprastas vandenilis, o kito – ultra lengvas vandenilis (arba miuonis). Pastarąjį chemikai išgavo vandenilio branduolyje protoną pakeitę antimiuonu (miuono antidalele, pasižyminčia teigiamu krūviu).
Kaip ir buvo tikėtasi, reakcija, kurioje dalyvavo „užsimaskavęs“ helis, buvo lėtesnė už reakcijas su vandeniliu ar miuoniu. Gauti įverčiai tiksliai atitiko prognozę, kurią, atlikęs tam tikrus kvantinės mechanikos skaičiavimus, buvo pateikęs D.Flemingo bendravardis kolega Donaldas Trularas (Donald Truhlar) iš Minesotos universiteto (JAV).
Būdas, kuriuo bet kuri fizinė struktūra kinta bėgant laikui, teoriškai gali būti numatytas pagal jos dalelių kvantine būseną. D.Trularas įsitikinęs, kad tokia vandenilio reakcija buvo visai paprasta. O Merilendo universiteto mokslininkas Milardas Aleksanderis (Millard Alexander) modifikuoto helio veiksmus pavadino tiesiog „labai seksualia branduoline chemija“. Kiek daug joje sekso, paaiškinti galėtų, ko gero, pats epiteto autorius. Viena aišku: horizonte pasirodžius užmaskuotiems helio atomams, vandenilio molekulėse beveik garantuotai gresia vandenilio atomų „skyrybos“.
Saulius Žukauskas
