Атомы гелия удолось замаскировать под водород

Исследователи заставили видоизменённые атомы гелия вести себя как атомы водорода. Это позволило проверить предположения о влиянии атомной массы реагирующего элемента на химические реакции.

«Учёные бомбардировали потоком мюонов смесь гелия, молекулярного водорода и аммиака», — пишет New Scientist. Некоторые атомы гелия захватывали мюоны, при этом данные отрицательные частицы заменяли собой один из двух электронов.

Поскольку мюон в двести с лишним раз тяжелее электрона, новая частица в атоме оказывалась на соответствующее расстояние ближе к ядру. Тем самым мюон наполовину экранировал его положительный заряд. И потому для второго электрона в том же самом атоме ядро выглядело как водородное.

Соответственно, гелий с мюоном внутри химически оказался идентичен обычному водороду (протию), но был вчетверо тяжелее его. А точнее — в 4,1 раза, потому экзотический атом учёные обозначили как 4.1H.

Это превращение Дональд Флеминг (Donald Fleming) из университета Британской Колумбии, Дональд Трулар (Donald Truhlar) из университета Миннесоты и их коллеги провели, чтобы проверить некоторые предсказания ядерной химии.

Дело в том, что в присутствии молекулярного водорода свободные единичные его атомы могут образовывать новые молекулы, отнимая от уже существующих один атом. Такая замена в паре не обязательно означает необходимость в разрыве химической связи и преодоления энергетического барьера. В работу тут вступает квантово-механический эффект туннелирования.

Теория предсказывает, что чем тяжелее частица, тем труднее ей туннелировать. Следовательно, чем массивнее изотоп водорода, тем медленнее должна идти указанная выше реакция.

С изотопами, содержащими один или два нейтрона, то есть весящими в два или три раза больше нормального водорода, проверка данной зависимости не составляет особого труда. А вот для 4H сделать это очень сложно, поскольку период полураспада его равен 10−22 секунды (что намного меньше, чем даже у удивительного позитрония).

Тут на сцену и выходит замаскированный гелий. Весит он практически столько же, сколько 4H, копирует его химически, но при этом живёт намного дольше. Соответственно, атомы гелия, мимикрировавшие под водород, прекрасно вступали в реакции, задуманные американцами и канадцами.

Исследователи сравнили темп реакций с полученными ранее показателями для нормального водорода и для мюония (это ещё одна имитация — тут протон в ядре водорода заменён на антимюон).

Как и ожидалось, реакции с замаскированным гелием шли медленнее всего, на втором месте оказался простой водород, а быстрее всех реагировал мюоний. Последний можно условно считать сверхлёгким изотопом водорода, для него даже есть альтернативное обозначение 0.11H. (Детали эксперимента и выводы изложены в Science.)