Füüsikud avastasid laengu eraldumise molekulis kahest identsest aatomist

Füüsikud Stuttgarti Ülikoolist esitasid esimesed eksperimentaalsed tõendid molekuli koosnemisele kahest identsest aatomist, mis näitab püsivat elektrilist dipoolmomenti. See vaatlus lükkab ümber mitmete füüsikute poolt kirjeldatud klassikalise tõekspidamise, mis on kirjas ka keemia õpikutes.

Dipolaarne molekul moodustub negatiivselt laetud elektronpilve ja positiivse tuuma vahelise laengu eristumise tulemusel – tekib püsiv elektriline dipoolmoment. Tavaliselt johtub laengu eristumine erinevate elementide tuumade erinevast tõmbumisest negatiivselt laetud elektronidega. Sama elemendi ühest aatomist koosnevate homonukleaarsete molekulide sümmeetria tõttu aga ei ole selles dipoolmomendi esinemine võimalik, kirjutab Physorg.com.

Professor Tilman Pfau juhitud teadustöö meeskond Stuttgarti Ülikoolis avastas aga dipolaarsed molekulid, mis koosnevad kahest elemendi rubiidiumi aatomist. Vajalik asümmeetria tekib kahe ühesuguse aatomi erinevate elektrooniliselt ergastatud seisundite tulemusena. Üldiselt vahetatakse see ergastus nende aatomite vahel ning asümmeetria kaob. Siin on vahetus aga alla surutud molekuli suuruse tõttu – see on umbes 1000 korda suurem kui hapniku molekul, küündides viiruste suuruseni. Seega on aatomite vahel ergastuse vahetamise võimalus nii väike, et see võiks statistiliselt juhtuda vaid kord Universumi eluea jooksul. Seega esineb nendes homonukleaarsetes molekulides dipoolmoment. Püsiv dipoolmoment nõuab lisaks ka molekulaartelje orienteeritust. Oma suuruse tõttu pöörlevad need molekulid aga nii aeglaselt, et dipoolmoment erineb vaatleja seisukohast keskmisest.

Stuttgarti Ülikooli füüsikutel õnnestus katseliselt avastada see dipoolmoment. Nad mõõtsid molekulis toimuva energia nihke elektriväljas laserspektroskoopia abil ülikülmas aatompilves. Sama teadustöö meeskond tekitas ülemaailmset elevust 2009. aastal, luues esmakordselt need nõrgalt seotud Rydbergi molekulid. Need molekulid koosnevad kahest identsest aatomist, kusjuures üks neist on ergastatud kõrgelt ergastatud seisundisse, mida nimetatakse Rydbergi seisundiks. Ebatavaline seondumise mehhanism tugineb kõrgelt ergastatud Rydbergi elektroni hajumisel teisel aatomil. Seni ei ennustanud selle seondumise mehhanismi teoreetilised kirjeldused dipoolmomenti. Samas muudab seotud aatomi Rydbergi elektroni hajumine elektroni normaaljaotust. See murrab muidu sfäärilist sümmeetriat ja loob dipoolmomendi. Koostöös teoreetiliste füüsikutega Max-Planki Insituudist Dresdenis ja Harvard-Smithoniani Astrofüüsika keskusega Cambridges, USA-s arendati välja uus teoreetiline käsitlus, mis kinnitab dipoolmomendi esinemist.

Tõend püsivast dipoolmomendist homonukleaarses molekulis ei paranda ainuüksi meie mõistmist polaarsetest molekulidest. Ülikülmad polaarsed molekulid on samuti paljutõotavad üksikute molekulide keemiliste reaktsioonide uurimiseks ja kontrollimiseks.

Allikas

Teadusartikkel: ,,Homonuclear Molecule with a Permanent Electric Dipole Moment“