Новости химической науки > Мюоны и кинетический изотопный эффект

Исследователи использовали мюоны для изучения особенностей кинетического изотопного эффекта одной из наиболее важных химических реакций. В ходе исследования были получены частицы с беспрецедентным разбросом по массе, и было обнаружено отличная согласованность между теоретическими прогнозами и результатами экспериментальных исследований.

Две группы исследователей – специалисты в области экспериментальной науки и теоретики использовали мюоны, элементарные частицы с массой покоя, превышающей массу покоя электрона в 207 раз, для создания самого легкого и самого тяжелого «изотопов» водорода, массы которых отличались друг от друга в 36 раз. Полученные изотопы были использованы для изучения простейшей реакции замещения – H + H₂ → H₂+ H.

Дональд Флеминг (Donald Fleming) из Университета Британской Колумбии (Канада), возглавлявший группу экспериментаторов, отмечает, что система H + H₂ → является самой фундаментальной для химии, если хотите «кварком химического мира», и, благодаря этому, привлекает пристальное внимание химиков-теоретиков и специалистов по квантовой химии с того момента, когда поверхность потенциальной энергии H + H₂ → была опубликована впервые.

Флеминг добавляет, что в настоящее время реакция H + H₂ → изучена настолько хорошо (по крайней мере, для нормальных условий и объектов), что теоретические расчеты практически всегда могут применяться для проверки экспериментальных данных. Для дальнейшего совершенствования теоретических и экспериментальных методов важно получить данные о сравнительной скорости реакций изотопов с самым широким разбросом масс атомных ядер.

Чаще всего мы ассоциируем кинетические изотопные эффекты с увеличением массы одного из ядер вдвое – заменой атома протия на атом дейтерия. Флеминг отмечает, что мысль о возможности расширения различия атомных масс вынашивалась уже более 20 лет, однако лишь в 2007 году исследователю с помощью мюонов удалось получить два относительно стабильных «изотопа» водорода со значением атомных масс 1/9 Да и 4 Да. Ультралегким «изотопом» может считаться мюоний (Mu) — атом, в котором положительно заряженный мюон действует как ядро; в мюонном гелии отрицательно заряженный мюон движется около ядра атома гелия, экранируя его и оставляя для реакции лишь один электрон.

Кропотливая работа на циклотроне Triumf Cyclotron позволила измерить значения кинетических эффектов в системе H + H₂ → с хорошим соотношением сигнал/шум даже еще до того, как Дональд Трулар (Donald Truhlar) из Университета Миннесоты смоделировал потенциальную поверхность реакции мюония и мюонного атома гелия с помощью квантовой механики. При этом результаты квантово-механических расчетов отлично согласовывались с результатами экспериментов.

Лэйн МакКензи (Iain McKenzie), специалист по химии мюония говорит о проведении экспериментов по измерению изотопных эффектов для ядер, массы которых различаются настолько, как о беспрецедентном научном результате – он приятно удивлен не только тем, что эксперименты подобного рода были запланированы, но и тем, что они увенчались успехом. Также МакКензи поясняет, что экспериментальное подтверждение теоретической методологии важно, так как дает теоретикам достаточную уверенность в том, что их расчеты достаточно точны.

Флеминг признает, что хотя теперь система H + H₂ →уже может считаться решенной загадкой, работа в области изучения необычных изотопов только еще начинается. Сейчас исследователь думает о том, как использовать разработанную при изучении мюонных атомов методику для измерения кинетических закономерностей других процессов. Главная задача, которую в настоящее время ставят перед собой исследователи, изучить более сложные реакционные системы; уже начата работа над исследованием кинетических закономерностей «примитивной многоатомной реакции» – H + СH₄ →.

Источник: Science, 2011, DOI: 10.1126/science.119942

метки статьи: #квантовая химия, #кинетика и катализ, #радиохимия и химия высоких энергий, #реакционноспособные частицы, #физическая химия