Фиг. 1. Симулиран картина НЕ2 молекула. Две хелиеви атоми (един от които е възбуден) са показани далеч един от друг, за да се подчертае необичайно голям Той-Той дължина връзка. Изображение с www.atom.uni-frankfurt.de сайт

Молекули - стабилни съединения атома - се образуват поради факта, че атомите са в състояние да "акция" един с друг електрони. Стабилността на молекулите може да се характеризира чрез дисоциация на енергия (или свързващ енергия), т.е. енергията, която е необходима за прехвърляне на молекулата да го разделя на две части (за двуатомни молекули - да бъде разделена на две отделни атоми). Стойността на тази енергия зависи от устройството на електронните обвивки на атомите: грубо казано, толкова по-вероятно да споделят атомите електроните, толкова по-силно връзка, и по този начин по-голяма е енергията на дисоциация. В по-голямата част от молекули е достатъчно силна връзка; неговата енергия е малко или няколко десети от електрон волта. По отношение на макроскопични количества от този ред на сто килоджаула на мол от вещество, но в единици температура и това съответства на хиляди до няколко десетки хиляди градуса (обаче, действителната молекулна дисоциация започва при много ниски температури). Друга последица от сравнително силна химична връзка е компактен размер на молекулите: атомите в молекулата седят един до друг на разстояние от порядъка на размера атом.

Доста уникално изключение от това правило е димер от хелий. НЕ2 молекула. Това неочаквано голяма молекула - средното разстояние между атомите на хелий е много по-голям от техния размер. Поради това, димера хелий има изключително малък задължителен енергия, около една десета от микро- електрон! Такава молекула е унищожена не само при стайна температура, но също и при температури до millikelvins. Човек може правилно да кажа, че това е една крехка молекула, известна до момента.

До сега разработени няколко начини за измерване на това измерение. Един от тях - чисто геометрично, а вторият използва проста квантовите свойства на материята. Във всеки случай, да се обясни, че молекула НЕ2 трябва да си представим, не като обичайните "гири", в които повече или по-малко две локализиран атом разделени от голямо разстояние (фиг. 2, ляво), и голяма сферична облак, характеризиращ се намазва две хелий атом (фиг. 2, дясно).

Един прост експеримент, за да се определи размера на молекула НЕ2 е да се премине в поток от студен хелий през фино сито с известни размера на отвора (фиг. 3). Хелий димер молекула може свободно да лети през мрежата, само ако центърът на маса попадне в квадратен бара. В противен случай молекула "чука" на екрана и от една игла се разпада на отделни атоми. Чрез измерване как ефективен размер за НЕ2 клетка, различна от действителната геометричен размер (което може да бъде направено чрез сравняване на вероятността за преминаване на хелий атом и димер), може да се определи размера на молекулите.

Вторият метод, който използва квантовите свойства на веществото, е да се проучи тези молекули дифракционна решетка на нано. Молекули на вещества, както и светлина, имат вълнови свойства и следователно са способни на тестване дифракция. Дифракционна решетка води до факта, че движението на светлина (или частици) се отклонява от правата линия на някои специфични ъгъл - получени пикове на дифракция (виж фигура 4 ..). Законът съгласно която интензитетът на тези пикове намалява с увеличаване на ъгъл, определен от ефективно ширина на междината, която за димерни молекули на хелий-малко от действителната ширина. Тази зависимост е също да се проумее и да отнемат от размера на молекулата.

Фиг. 4. Схема вълна интензивност на изображението след като премине през решетката на дифракция. Това е, като силата на пика намалява с разстоянието, зависи от размера на разликата в решетка. Изображение с www.animatedscience.co.uk сайт

послеслов

Тук е полезно да се разгледа отново фиг. 2. Фактът, че средното разстояние между атоми на хелий в димера е около 52 ангстрьома, не означава, че атомите се въртят един спрямо друг на такова разстояние. В действителност, двата атома са разпределени в много широк диапазон на разстояния от няколко до няколко стотин ангстрьома (!). Фиг. 5 показва теоретично изчислено вълнова функция димер в зависимост от interatomic разстояния. Интересно е да се отбележи, че такова необичайно широк и несиметрично разпределение води до факта, че средната стойност (т.е. осреднената на) interatomic разстоянието не съвпада с най-вероятната разстоянието (където функцията на вълната е максимум).

Така намазва молекула - явление, доста необичайно за атомната физика, а защото експериментаторите са търсили начин да се измерват не само средната interatomic разстояние, но също така и да се тества самия профил на вълновата функция. Това беше направено още през миналата година. с помощта на т.нар Кулон експлозията на молекулата. Когато молекула поглъща фотон, тя бързо мухи от един или повече електрони. В този случай, управлявани от един фотон ясно един електрон от всеки хелий атом. В резултат на това има следа от химичната връзка: две хелий йон започва силно отблъскват взаимно и разпръснати в различни посоки. В ъглите и ускорява заминаването на електроните и ядрата може да възстанови това, което състоянието на ядрото по време на йонизация.

Последното интересно нещо, което заслужава да се спомене тук се отнася до изотопи на хелий. Всички експерименти, описани са проведени с хелий-4. Запалка изотоп на хелий, хелий-3, не образуват димери. Химична връзка хе-хе в него същото, но квантовата трептене на хелий-3 атома, е по-силен и по тази причина те не са в състояние да останат заедно. За да се държи атомите на хелий-3 в компактен клъстер, той изисква две, не три, не четири но около 30 атома. Само тогава ще им взаимно привличане е достатъчно силна, за да държи атомите заедно. Казано поетично, може да се каже, че хелий-3 - е вещество, което не започва с молекули и с капчици.