Туннелирование молекул

Квантовая механика позволяет частицам благодаря своим квантово-механическим волновым свойствам пробивать энергетический барьер (стенку) и происходит реакция. Предоставлено: Университет Инсбрука/Харальд Рич.

Прорыв в моделировании туннельных реакций в молекулярной химии

Туннельные реакции в химии очень трудно предсказать.

Квантово-механически точное описание химических реакций с более чем тремя частицами затруднительно, с более чем четырьмя частицами почти невозможно. Теоретики моделируют эти реакции с помощью классической физики и должны пренебрегать квантовыми эффектами. Но где предел этому классическому описанию химических реакций, которое может давать только приближения?

Роланд Вестер из отдела физики ионов и прикладной физики Университета Инсбрука давно хотел исследовать эту область. «Для этого требуется эксперимент, который позволяет проводить очень точные измерения и при этом может быть описан квантово-механически», — говорит физик-экспериментатор. «Идея пришла ко мне 15 лет назад в разговоре с коллегой на конференции в США, — вспоминает Вестер. Он хотел проследить квантово-механический туннельный эффект в очень простой реакции.

Поскольку туннельный эффект делает реакцию очень маловероятной и, следовательно, медленной, ее экспериментальное наблюдение было чрезвычайно трудным. Однако после нескольких попыток команде Вестера впервые удалось это сделать, о чем они сообщают в текущем выпуске журнала Nature.

Прорыв после 15 лет исследований

• Команда Роланда Вестера выбрала для своего эксперимента водород — простейший элемент во Вселенной.
• Они ввели дейтерий — изотоп водорода — в ионную ловушку, охладили ее, а затем заполнили ловушку газообразным водородом.
• Из-за очень низких температур отрицательно заряженным ионам дейтерия не хватает энергии, чтобы реагировать с молекулами водорода обычным образом. Однако в очень редких случаях при их столкновении происходит реакция.

Это вызвано туннельным эффектом: «Квантовая механика позволяет частицам преодолевать энергетический барьер благодаря их квантово-механическим волновым свойствам, и происходит реакция», — объясняет первый автор исследования Роберт Уайлд. «В нашем эксперименте мы даем возможным реакциям в ловушке около 15 минут, а затем определяем количество образовавшихся ионов водорода. По их количеству мы можем определить, как часто происходила реакция».

В 2018 году физики-теоретики подсчитали, что в этой системе квантовое туннелирование происходит только в одном из каждых ста миллиардов столкновений. Это очень близко соответствует результатам, полученным в настоящее время в Инсбруке, и после 15 лет исследований впервые подтверждает точную теоретическую модель туннельного эффекта в химической реакции.

Основа для лучшего понимания

Существуют и другие химические реакции, которые могут использовать туннельный эффект. Впервые доступно измерение, которое также хорошо изучено в научной теории. На основе этого исследования могут разработать более простые теоретические модели химических реакций и проверить их на реакции, которая в настоящее время успешно продемонстрирована.

Туннельный эффект используется, например, в сканирующем туннельном микроскопе и во флэш-памяти. Туннельный эффект также используется для объяснения альфа-распада атомных ядер. Включение туннельного эффекта также может объяснить некоторые астрохимические синтезы молекул в межзвездных темных облаках. Таким образом, эксперимент группы Вестера закладывает основу для лучшего понимания многих химических реакций.

Источник

Метки: Квантовая Механика