Molekul vodika razkriva kvantne mehanske skrivnosti

Prvič je uspel popoln izračun elektronskih korelacij v molekuli vodika

Photon se srečuje z molekulo vodika © Wim Vanroose / LBL
prebral

V svetu najmanjših delcev je veliko še vedno enigmatično. Prav tako natančni položaji in premiki elektronov in protonov v tako preprosti molekuli kot molekula vodika H2. Zdaj so znanstveniki to spojino prvič uporabili pri iskanju kvantno-mehanske rešitve za spajanje štirih nabitih delcev - bombardiranje molekule s fotoni. O njihovih rezultatih poročajo v reviji Science.

Ko molekulo vodika, H2, zadene foton, katerega energija se odcepi od dveh elektronov vodika, ostaneta samo dve vodikovi jedri. Vendar pa se ti, prikrajšani za kompenzacijski učinek, elektrone odbijajo. Znanstveniki lahko po poti, ki so jo po tej tako imenovani dvojni fotoionizaciji ubrali dva izgnana elektrona, sklepajo na razdaljo in položaj posameznih molekulskih gradnikov.

Najdena je bila štiri delna raztopina

Tako v klasični fiziki kot v kvantni mehaniki se šteje, da položaji in kinetična energija delca niso natančno in neodvisno izračunani. Če sodelujejo celo trije ali več delcev, so raziskovalci dosegli svoje meje. Vendar sta raziskovalna skupina z kalifornijske univerze v Davisu, nacionalnega laboratorija Lawrence Berkeley (LBL) in raziskovalci s katoliške univerze Leuven v Belgiji in avtonomne univerze v Madridu celo iznašla rešitev s štirimi delci - za dva Protoni in dva elektrona molekule vodika.

Zagon so dali poskusi fotofragmentacije devterija "težke vode", ki jih je Thorsten Weber z univerze v Frankfurtu izvedel skupaj z mednarodno raziskovalno ekipo v laboratoriju Lawrence Berkeley leta 2003 in ki so bili zdaj ponovljeni z molekulo vodika. "Zaradi tega eksperimenta je bil poseben podatek, da so lahko izmerili, kaj se je zgodilo z vsemi štirimi delci, " razloži Thomas Rescigno iz LBL. "Iz svojih natančnih položajev in energije so uspeli rekonstruirati stanje molekule, še preden je zadel."

"Pokazalo se je, da so zelo majhne razlike v razdalji med obema jedrima v trenutku absorpcije fotonov povzročile korenite razlike v načinu izmeta obeh elektronov, " je dejal Rescigno. Toda ali so te razlike res odražale korelacije - razmerja delcev med seboj v molekuli? Ali pa je šlo morda le za vprašanje kinematičnih učinkov, pri katerih je nekaj energije prišlo iz reakcije odbijanja obeh protonov in tako pokvarilo rezultat? zaslon

Računalniške simulacije dopolnjujejo poskuse

Eksperimentalne ugotovitve same niso mogle odgovoriti na to ključno vprašanje, zato so se znanstveniki zatekli k računalniškim modelom. Raziskovalci so z njihovo pomočjo reproducirali poskuse na računalniku in spreminjali energijo prihajajočih fotonov, da bi ugotovili, kakšno vlogo je v vzorcu leta elektronov igrala kinetična energija.

Izkazalo se je, da orbita izvrženih elektronov ni odvisna od kinetične energije, ampak dejansko, kot smo prej upali in domnevali, oddaljenosti jedrskih jeder drug od drugega in njihovega vpliva na orbitale, ki jih obdajajo Ima elektrone.

Za Fernando Mart n, profesor kemije na Universidad Autònoma de Madrid, popolna numerična rešitev, ki temelji na teh simulacijah Schr dingerjeve enačbe za Fotoionizacija vodikove molekule "sam začetek". "Raziskovanje zapletene fizike elektronskih korelacij bo odprlo pot celovitim metodam, ki združujejo teorijo in eksperiment za reševanje nekaterih najbolj perečih problemov v kemiji, " je dejal raziskovalec. Najnovejši rezultati so za njegovega kolega Rescignoja zdaj povezali tisto, kar se je začelo kot samostojna fizikalna teorija, z zakovi in ​​vijaki praktičnega eksperimenta.

(Nacionalni laboratorij Lawrence Berkeley, 20. 12. 2005 - NPO)