وقتی هلیوم خودش را هیدروژن جا می‌زند

[fr.chemi3t]

در یک کیمیاگری مدرن، دانشمندان با فریب دادن اتم‌های هیدروژن، آنها را مجبور کردند یک اتم هلیوم را به عنوان یکی اتم هیدروژن قبول کنند. با این کار می توان تاثیر جرم اتمی بر سرعت واکنش را بررسی کرد.

در یک شاهکار کیمیاگری مدرن، دانشمندان توانستند با فریب دادن اتم‌های هیدروژن، آنها را مجبور کنند یک اتم هلیوم را به عنوان اتم هیدروژن قبول کنند. اتم استتار شده از نظر شیمایی شبیه هیدروژن رفتار می‌کند، اما چهار برابر جرم معمول هیدروژن را دارد؛ نکته‌ای که اجازه بررسی تاثیر جرم اتمی بر سرعت واکنش را فراهم می‌آورد. به گزارش نیوساینتیست، (http://www.newscientist.com/article/dn20049-atomic-disguise-makes-helium-look-like-hydrogen.htm) یک اتم هلیوم شامل هسته‌ای است که از دو پروتون با بار مثبت و دو نوترون تشکیل شده و دو الکترون با بار منفی آن را احاطه کرده است. اتم هیدروژن تنها یک پروتون و یک الکترون دارد. دونالد فلمینگ از دانشگاه بریتیش کلمبیا کانادا و همکارانش برای اینکه اتم هلیوم به شکل اتم هیدروژن تغییر قیافه دهد، یکی از الکترون‌های مدار آن را با یک میون، ذره زیراتمی که 207 بار سنگین‌تر از الکترون است، جایگزین کردند.به دلیل وزن زیادتر میون نسبت به الکترون، این ذره در فاصله‌ای 200 بار نزدیک‌تر به هسته هلیوم قرار می‌گیرد و یکی از بارهای مثبت هسته را خنثی می‌کند. الکترون باقیمانده نیز شبیه به الکترونی رفتار می‌کند که به دور هسته‌ای با تنها یک بار مثبت گردش می‌کند، درست مانند رفتاری که الکترون در یک اتم هیدروژن از خود نشان می‌دهد. تنها تفاوت این است که هسته این اتم 4.1 بار سنگین‌تر از حالت معمول هیدروژن است.فلمینگ و همکارانش از این هیدروژن فوق سنگین استفاده کردند تا تاثیر جرم را بر سرعت واکنش شیمیایی بررسی کنند. یک اتم منفرد هیدروژن می‌تواند با ربودن یکی از اتم‌های یک مولکول هیدروژن موجود، یک مولکول جدید را خلق کند. اما برای اینکه چنین اتفاقی بیفتد، باید انرژی کافی برای شکستن پیوندهای بین اتم‌های مولکول قبلی وجود داشته باشد.تونل‌های کوانتومی
بر اساس مکانیک کوانتومی، همیشه لازم نیست که از بالای این دیوار انرژی (سد پتانسیل) عبور کرد: به جای این کار می‌توان از میان این دیوار تونل زد. اما هر چقدر که ذرات سنگین‌تر باشد، تونل زدن سخت‌تر می‌شود؛ بنابراین این واکنش جایگزین کمتر اتفاق می‌افتد.دو ایزوتوپ هیدروژن، که شامل یک یا دو نوترون و دو یا سه بار سنگین‌تر از یک هیدروژن معمولی، می‌توانند برای آزمایش این مساله استفاده شوند. ایزوتوپ سنگین‌تر هیدروژن با سه نوترون نیز وجود دارد، اما خیلی زود واپاشیده می‌شود. هلیوم میون‌دار که جرم مشابهی با این ایزوتوپ دارد، به اندازه کافی دوام می‌آورد با یک مولکول هیدروژن واکنش دهد.http://pnu-club.com/imported/mising.jpgگروه فلمینگ میون‌های تولید شده در شتاب‌دهنده TRIUMF ونکوور را به ابری از هلیوم، مولکول هیدروژن و بخار آمونیاک شلیک کردند. اتم‌های هلیوم میون را می‌گیرند، سپس اتم‌های هیدروژن را از مولکول هیدروژن بیرون می‌کشند و با آنها پیوند تشکیل می‌دهند.گروه فلمینگ زمان انجام این واکنش را با نرخ واکنش مشابه با استفاده از هیدروژن معمولی مقایسه کردند. گروه همچنین مقایسه‌ای را با نرخ واکنشی که در سال 1987 / 1366 با استفاده از یک هیدروژن فوق سبک که مونیوم نامیده می‌شود، انجام دادند. شیمی‌دان‌ها مونیوم را با جایگزین کردن یکی از پروتون‌های اتم هیدروژن با یک آنتی‌میون که ضد ماده میون است، تولید کرده بودند.چقدر وسوسه‌انگیز!
میلارد الکساندر از دانشگاه مریلند درباره آزمایش انجام شده تعبیر جالبی دارد: «شیمی هسته‌ای وسوسه‌انگیز!» همان‌طور که انتظار می‌رفت، سرعت واکنش با استفاده از هلیوم تغییر چهره یافته، از همه کمتر بود. سرعت واکنش‌ها به خوبی با پیش‌بینی‌های محاسبات مکانیک کوانتومی که توسط همکار فلمینگ، دونالد تروهلار از دانشگاه مینه‌سوتا انجام شد، تطابق داشت.از نظر تئوری، نحوه تغییر هر سیستم فیزیکی با زمان، با استفاده از وضعیت کوانتومی ذرات آن قابل پیش‌بینی است. اما تعداد ذرات در اغلب واکنش‌ها آنقدر زیاد است که این محاسبات عملی نیستند، اما به گفته تروهلار واکنش هیدروژن برای انجام این محاسبات به اندازه کافی ساده است.