Àtoms exòtics per a una química exòtica

Posted on 17/02/2011 per

0


Image

Ahir mateix vaig trobar al meu lector de feeds (feedly.com) una notícia de Chemistry World, de la Royal Society of Chemistry, que deia Muons take kinetic isotope effects to extremes. Després, he vist la notícia comentada també per exemple al Scientific American (Artificial Hydrogen Tests Quantum Theory) i al New Scientist (Atomic disguise makes helium look like hydrogen). De fet, correspon a un article de Science: Chemical Kinetics under test. No és un article qualsevol de química-física, sinó que és un bon exemple de bona ciència, i de la importància que té la simulació (o sigui, la química computacional) com a eina per fer avançar el coneixement. També he de reconèixer que m’ha impactat perquè els càlculs teòrics els ha fet en Don Truhlar, gran químic teòric-computacional amb qui he tingut contacte.

Donald Fleming, a chemist at the University of British Columbia in Vancouver, Canada, and his colleagues generated two artificial analogues of hydrogen: one with a mass a little over one-tenth that of ordinary hydrogen, and one four times heavier than hydrogen. These pseudo-hydrogens both contain short-lived subatomic particles called muons — super-heavy versions of the electron.

The researchers tested the behaviour of these new atoms in a chemical reaction called a hydrogen exchange, in which a lone hydrogen atom plucks another from a two-atom hydrogen molecule — just about the simplest chemical reaction conceivable. In a paper in Science, they report that both the weedy and the bloated hydrogen atoms behave just as quantum theory predicts they should — which is itself surprising.

En aquest experiment s’ha fet xocar un feix de muons contra gas heli per formar un àtom exòtic: un nucli d’heli amb un muó i un electró orbitant-lo. El muó és una partícula semblant a l’electró, però amb una massa 207 vegades superior, de tal forma que orbita molt més a prop del nucli, apantallant la càrrega dels dos protons de l’heli i fent que la percepció exterior i comportament d’aquest àtom (que es pot anomenat He-mu) sigui d’un àtom d’hidrogen molt pesat. El muons, partícules elementals que tenen un temps de vida mitja de 2 microsegons i que van ser descoberts pels raigs còsmics, han estat generats per un accelerador de partícules.

Els mateixos investigadors han fet encara un altre experiment: un electró que orbita un muó positiu: en definitiva, una espècie d’atom d’hidrogen molt més lleuger que el normal.

A la Wikipedia se n’hi poden trobar d’altres, d’exemples d’àtoms exòtics. Hi ha també un interessant article (Muon, positron and antiproton interactions with atoms and molecules) on se n’hi parla amb força detall. Fins i tot no és pas difícil trobar-ne la funció d’ona, és a dir, descriure aquests sistemes mitjançant els mètodes de la mecànica quàntica: Correlation and asymptotic properties of muonic helium atom wavefunctions i també Calculation of Energy and Other Properties of Muonic Helium Atom Using Boundary Conditions of Wave Function.

Amb aquest dos tipus d’àtoms exòtics se’ls ha fet xocar (en dos experiments independents) amb molècules d’hidrogen per tal d’estudiar la reacció equivalent a H+H2 -> H2+H, és a dir, d’intercanvi d’un àtom d’hidrogen. Es tracta, segurament, de la reacció més ben estudiada des del punt de vista teòric i experimental des de mitjans del Segle XX. Els químics teòrics de l’equip investigador d’aquest article han agafat models teòrics previs per a aquesta reacció, i han subsituït el primer hidrogen per aquest àtom d’heli exòtic: els models teòrics han coincidit amb els resultats experimentals, i de fet sembla que els han precedit. Un gran èxit de la mecànica quàntica i dels models que l’acompanyen.

Suposo que el producte de la reacció entre l’Heli exòtic i l’hidrogen és també una molècula exòtica: He-mu-H. No l’he trobada descrita a la bibliografia, però ho buscaré bé. Sí que en canvi he trobat als llibres de text i a la bibliografia la molècula (p-mu-p)+, és a dir, dos protons (nuclis d’hidrogen) units per un muó únic… un parent exòtic de la molècula-io d’hidrogen, molt ben estudiada. El cas és que la molècula (p-mu-p)+ té una distància d’enllaç molt i molt curta, cosa que pot portar a la fusió dels dos protons en un únic nucli (si fossin tots dos deuteris, formarien directament una espècie d’He+ muònic). Ara entenc doncs millor aquest procès de fusió nuclear.

Avui he passat força estona intentant entendre aquest article. Hi he après física de paticules, física atòmica, química exòtica. I hi he tornat a comprovar que la recerca en química teòrica i computacional, de la qual en formo part com a gra de sorra en una platja, és ben útil.

Seguiré aquesta química exòtica, que jo anomenao en anglès quirkchemistry. A partir d’avui aniré etiquetant (i retroetiquetant) les entrades d’aquest tipus amb aquest concepte.

Aquest tipus sistemes amb partícules que complementen protons, neutrons i electrons proporcionen bones idees també per a la docència en química quàntica. Per exemple, la formulació del Hamiltonià corresponent, o sigui, la descripció mecanoquàntica del sistema físic, i la resolució de l’equació de Schrödinger. Apassionant.

Voldria recollir un dels paràgrafs de l’article sobre aquest tema de New Scientist:

‘Very sexy’

As expected, the reaction with the disguised helium was the slowest, followed by normal hydrogen, then the light hydrogen. The rates perfectly matched predictions from quantum mechanical calculations led by Fleming’s teammate Donald Truhlar of the University of Minnesota in Minneapolis.

The way any physical system changes with time can, in theory, be predicted from the quantum states of its particles. Most reactions involve far too many particles for this to be practical, but Truhlar says the hydrogen reaction was just simple enough.

Millard Alexander of the University of Maryland in College Park calls it “very sexy nuclear chemistry”.

O sigui, que aquest tema té gràcia.

Nota: aquest article de Science en té un de preliminar pel mateix equip el 2009: The muonic He atom and a preliminary study of the He-4 mu + H-2 reaction

(Nota 2: avui potser m’he passat una mica amb aquesta entrada una mica complexa, però s’ho valia. La reescriuré en llenguate més planer, però serà complicat).

Advertisements
Etiquetat:
Posted in: Notícies