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.
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.
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.
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.
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.
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.
