13.11.2019
PL EN
26.10.2016 aktualizacja 26.10.2016

Zderzenia wodór-hel na wysokich i niskich obrotach

To, jak przebiegają zderzenia między atomami a molekułami, zależy w pewnym stopniu od ich rotacji i ułożenia w przestrzeni. Powszechne we Wszechświecie zderzenia między molekułami wodoru a atomami helu zbadali pod tym kątem naukowcy, m.in. z Polski.

Reakcje chemiczne, z którymi mamy do czynienia w życiu codziennym, wynikają ze zderzeń cząsteczek. Mogłoby się wydawać, że takie zderzenia przypominają zderzenia między kulami bilardowymi. Sprawa nie jest jednak taka prosta: w końcu molekuły mogą mieć bardzo nieregularne kształty, a w dodatku bardzo szybko się obracają. Przebieg reakcji dodatkowo się komplikuje w ekstremalnie niskich temperaturach, gdzie do głosu dochodzą jeszcze niezwykłe efekty ze świata kwantowego.

Badacze chcą rozgryźć i opisać te wszystkie zależności, aby skuteczniej przewidywać przebieg reakcji chemicznych i poprawnie interpretować wyniki eksperymentów.

Naukowcy z Izraela, Holandii, Niemiec i Polski na warsztat wzięli dosyć proste - jakby się wydawało - zderzenie atomu helu z cząsteczką wodoru. Ich praca ukazała się w prestiżowym "Nature Physics". Badacze analizowali sytuację, kiedy atom helu w stanie wzbudzonym zderza się z molekułą wodoru (połączonymi ze sobą dwoma atomami wodoru) i powoduje jej jonizację - rozbija ją na dodatnio naładowany jon i wolny elektron. W eksperymencie szczegółowo zbadano przebieg takich reakcji w temperaturze bliskiej minus 273 st. C.

"Zderzenia helu i wodoru to podstawowe zderzenia, jakie zachodzą w przestrzeni kosmicznej" - komentuje w rozmowie z PAP jeden z autorów badań dr hab. Piotr Żuchowski z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu. Naukowiec wyjaśnia, że badania te pozwolą dokładniej zrozumieć co dzieje się w materii międzygwiezdnej. Poza tym zrozumienie zderzeń w niskich temperaturach jest kluczowe do produkcji ultrazimnej materii, która znajdzie zastosowanie w informatyce kwantowej czy nowej generacji wzorcach czasu, takich jak zegary optyczne.

Dr Żuchowski opowiada, że oddziaływania między idealnymi kulami są izotropowe - niezależnie od tego, jak obrócimy kulę i z której strony ją uderzymy, ona powinna poruszyć się tak samo. "A w naszych badaniach zamiast dwóch kulek mieliśmy kulę - atom helu - i hantle do ćwiczeń - cząsteczkę wodoru. Oddziaływanie między nimi zależy m.in. od kąta między osią hantli a kulką" - opowiada fizyk i dodaje: "Tu oddziaływania nie są izotropowe i zależą od orientacji przestrzennej".

Kolejny z autorów badań, dr Mariusz Pawlak z Wydziału Chemii UMK precyzuje, że w warunkach bliskich zera bezwzględnego zaobserwować można wyraźnie tzw. rezonanse - pewne charakterystyczne wartości energii zderzenia, przy których reakcja zachodzi znacznie szybciej.

Wyjaśnia, że jeśli cząsteczka wodoru się obraca, istnieją dwa rezonanse: są dwie wartości energii, przy których jest największa szansa, że układ się rozpadnie. A jeśli układ się nie obraca, jest tylko jeden rezonans. "Przełączając stan rotacyjny molekuły zmieniamy strukturę rezonansów" - mówi Pawlak i wyjaśnia, że to wynikało z eksperymentów. Naukowcy w ramach teorii kwantowej pokazali, dlaczego tak jest.

A Piotr Żuchowski dodaje: "Teoria musiała być zrewidowana, aby precyzyjnie przewidywać zderzenia atomów i molekuł w kolejnych eksperymentach". Dr Pawlak zaś komentuje: "Nasza praca pomoże tym, którzy będą chcieli zaprojektować nowe układy eksperymentalnej w ultrazimnej fizyce. Teoria pomoże przewidzieć, jak atomy będą się tam zderzać z molekułami".

Rozumienie mechanizmów rządzących oddziaływaniami i zderzeniami cząsteczek i atomów jest kluczowe w wielu bardzo różnych dziedzinach nauki: fizyce i chemii atmosfery, astrofizyce, chemii procesów procesach spalania, czy też w wielu procesach biochemicznych.

Badania te były możliwe dzięki unikalnemu eksperymentowi, jaki przeprowadzony został w Instytucie Weizmanna w Izraelu, w grupie kierowanej przez prof. Edvardasa Nareviciusa. Konieczne wsparcie teoretyczne, oprócz dr hab. Żuchowskiego i dr Mariusza Pawlaka dostarczyły grupy współpracowników na uniwersytetach Technion w Hajfie (Izrael), w Kassel i Düsseldorfie (Niemcy), oraz Radboud University w Nijmegen (Holandia).

PAP - Nauka w Polsce, Ludwika Tomala

lt/ agt

Copyright © Fundacja PAP 2019