Молекула литий-гелия: не кантовать!

Учёным удалось получить и зарегистрировать молекулу литий-гелия LiHe. Это одна из самых хрупких известных молекул. А её размер более, чем в десять раз, превосходит размер молекул воды.

Условное строение атомов гелия (слева) и лития (справа).
Условное строение атомов гелия (слева) и лития (справа).

Как известно, нейтральные атомы и молекулы могут образовывать друг с другом более менее устойчивые связи тремя способами. Во-первых, при помощи ковалентных связей, когда два атома разделяют одну или несколько общих электронных пар. Ковалентные связи — самые сильные из трёх. Характерная энергия их разрыва равна обычно нескольким электрон-вольтам.

Заметно слабее ковалентных водородные связи. Это притяжение, возникающее между связанным атомом водородом и электроотрицательным атомом другой молекулы (обычно таким атомом является кислород или азот, реже фтор). Несмотря на то, что энергия водородных связей в сотни раз меньше, чем ковалентных, именно они во многом определяют физические свойства воды, а также играют важнейшую роль в органическом мире.

На этой картинке чёрным пунктиром обозначены водородные связи между молекулами воды. Благодаря этим связям в воде могу образовываться целые водяные кластеры. Время жизни их, правда, очень мало.
На этой картинке чёрным пунктиром обозначены водородные связи между молекулами воды. Благодаря этим связям в воде могу образовываться целые водяные кластеры. Время жизни их, правда, очень мало.

И наконец, самым слабым является так называемое ван-дер-ваальсовое взаимодействие. Иногда его также называют дисперсным. Оно возникает в результате диполь-дипольного взаимодействия двух атомов или молекул. При этом диполи могут быть как изначально свойственны молекулам (например, дипольный момент есть у воды), так и индуцироваться в результате взаимодействия.

Характерная энергия ван-дер-ваальсовой связи — единицы кельвин (электрон-вольт, упоминавшийся выше, соответствует приблизительно 10 000 кельвин). Самой слабой из ван-дер-ваальсовых является связь между двумя индуцированными диполями. Если имеется два неполярных атома, то в результате теплового движения у каждого из них имеется некий осциллирующий случайным образом дипольный момент (электронная оболочка как бы немного дрожит относительно ядра). Эти моменты, взаимодействуя друг с другом, в результате преимущественно имеют такие ориентации, чтобы два атома начали притягиваться.

Условная схема, поясняющая, как возникают дисперсионные силы.
Условная схема, поясняющая, как возникают дисперсионные силы.

Наиболее инертным из всех атомов является гелий. Он не вступает в ковалентные связи ни с одним другим атомом. При этом и величина его поляризуемости очень мала, то есть и дисперсные связи ему образовывать сложно. Имеется, однако, одно важное обстоятельство. Электроны в атоме гелия настолько сильно связаны ядром, что его можно, не опасаясь возникновения отталкивающих сил, подносить очень близко к другим атомам — вплоть до расстояния порядка радиуса этого атома. Дисперсные же силы растут с уменьшением дистанции между атомами очень быстро — обратно пропорционально шестой степени расстояния!

Отсюда родилась идея: если сблизить два атома гелия друг с другом, то между ними всё-таки возникнет хрупкая ван-дер-ваальсова связь. Это, действительно удалось реализовать в середине 1990-х, хотя и потребовало значительных усилий. Энергия такой связи составляет всего 1 мК, и молекула He2 была зарегистрирована в незначительных количествах в сверхохлаждённых струях гелия.

При этом свойства молекулы He2 во многом уникальны и необычны. Так, например, её размер составляет… около 5 нм! Для сравнения, размер молекулы воды — около 0,1 нм. При этом минимум потенциальной энергии молекулы гелия приходится на значительно меньшее расстояние — около 0,2 нм — однако, большую часть времени — около 80% — атомы гелия в молекуле проводят в режиме туннелирования, то есть в области, где в рамках классической механики они находиться не могли бы.

Приблизительно так выглядит молекула гелия. Среднее расстояние между атомами намного превосходит их размеры.
Приблизительно так выглядит молекула гелия. Среднее расстояние между атомами намного превосходит их размеры.

Следующий по размерам после гелия атом — это литий, поэтому после получения молекулы гелия, естественным стало изучение возможности зафиксировать связь между гелием и литием. И вот, наконец, учёным удалось сделать и это. У молекулы литий-гелия LiHe энергия связи повыше, чем у гелий-гелия — 34±36 мК, а расстояние между атомами наоборот поменьше — около 2,9 нм. Однако и в этой молекуле атомы большую часть времени находятся в классически запрещённых состояниях под энергетическим барьером. Интересно, что потенциальная яма для молекулы LiHe настолько мала, что она может существовать только в одном колебательном энергетическом состоянии, являющемся правда расщеплённым из-за спина атома 7Li дублетом. Её константа вращения же настолько велика (около 40 мК), что возбуждение вращательного спектра приводит к разрушению молекулы.

Потенциалы обсуждаемых молекул (сплошные кривые) и квадрат модуля волновых функций атомов в них (штриховые кривые). Отмечены также точки PM — минимум потенциала, OTP — внешняя точка разворота для низшего энергетического уровня, MIS — средневзвешенное расстояние между атомами.
Потенциалы обсуждаемых молекул (сплошные кривые) и квадрат модуля волновых функций атомов в них (штриховые кривые). Отмечены также точки PM — минимум потенциала, OTP — внешняя точка разворота для низшего энергетического уровня, MIS — средневзвешенное расстояние между атомами.

Пока что полученные результаты интересны исключительно с фундаментальной точки зрения. Однако уже вызывают интерес для смежных областей науки. Так, гелиевые кластеры из многих частиц могут стать инструментом изучения эффектов запаздывания в вакууме Казимира. Изучение гелий-гелиевого взаимодействия важно и для квантовой химии, которая могла бы на этой системе тестировать свои модели. И, конечно, не вызывает сомнений, что учёные придумают и другие интересные и важные приложения для таких экстравагантных объектов как молекулы He2 и LiHe.


Источник: Physics — A Fragile Union Between Li and He Atoms

  •  1847
comments powered by Disqus