Nově vytvořený "hybridní" atom vodíku, jehož hmotnost je zhruba čtyřikrát vyšší než hmotnost běžného vodíkového atomu, vědcům posloužil při experimentálním ověření jedné z předpovědí kvantové chemie. Vědci zjišťovali, jak atomová hmotnost ovlivňuje průběh chemických reakcí.
Helium, vodík a jeho izotopy
V každé učebnici chemie či fyziky se dočteme, že atom helia se skládá z atomového jádra (jež tvoří čtyři nukleony: dva kladně nabité protony a dva neutrony) a elektronového obalu, ve kterém se pohybují dva záporně nabité elektrony.
Atom vodíku je naproti tomu tvořen pouze jedním protonem a jedním elektronem. Vědci ale znají ještě dva jiné izotopy vodíku: deuterium, které má v jádře proton a neutron, a tritium, jehož jádro obsahuje dokonce nukleony tři (proton a dva neutrony).
Chemické chování atomů mnohem více než na jejich hmotnostech závisí na počtu elektronů, takže všechny tři druhy vodíku jsou z hlediska chemie téměř identické.
Odlišné hmotnosti atomů ale podle kvantové teorie mohou přece jen způsobit určité rozdíly v průběhu jejich chemických reakcí. A právě tohle se rozhodl prozkoumat Donald Fleming z Univerzity Britské Kolumbie v kanadském Vancouveru.
Hybridní atomy vodíku
Pro testování Fleming ale potřeboval ještě i jiné formy atomů vodíků, a když je nikde nenašel, tak si je "jednoduše" vyrobil. Výsledkem byly hned dvě nové formy vodíku: vodík ultralehký a hybridní ultratěžký vodík.
Ten druhý vychází z jádra helia, ve kterém je ovšem jeden z elektronů nahrazen jinou elementární částicí – mionem. Miony mají v podstatě stejné vlastnosti jako elektrony jen s tím rozdílem, že jejich hmotnosti jsou mnohem těžší. (Mion je asi desetkrát lehčí než proton a asi dvěstěkrát těžší než obyčejný elektron, někdy se mu proto říká těžký elektron.)
Formy vodíku
Díky své velké hmotnosti se mion posune blíž k jádru helia, o hodně blíž než se pohyboval elektron, který jím byl nahrazen, čímž dojde k odstínění kladného náboje jednoho z protonů v jádře.
Zbývající elektron pak krouží dokola, jakoby obíhal kolem jádra tvořeného pouze jedním jediným protonem. Výsledný hybridní atom se tedy chová "skoro" stejně jako atom vodíku, až na to skoro. Existuje totiž jeden významný rozdíl: jádro hybridního atomu vodíku je asi 4,1× těžší než jádro normálního vodíku.
Chemické reakce a kvantové tunelování
Flemingův tým zkoumal, jak snadno a rychle je nová forma atomu vodíku schopna se účastnit chemických reakcí.
Konkrétně reakcí, při kterých se ultratěžký atom vodíku navazuje na jiný vodíkový atom z molekuly H2 a vytváří s ním zcela novou molekulu. Tyto reakce patří mezi z nejjednodušší chemické reakce vůbec.
Rozbití chemické vazby v původní molekule H2 ale brání jistá energetická bariéra, kterou je třeba překonat. Podle kvantové teorie k něčemu takovému ale vůbec nemusí dojít, kvantové částice se totiž mohou skrz tuto bariéru "protunelovat".
Kvantová mechanika dále tvrdí, že čím je částice hmotnější, tím je pro ni kvantové tunelování obtížnější, z čehož vyplývá, že reakce ultratěžkého vodíku by ve srovnání s jeho lehčími formami měly probíhat pomaleji.
Přesně podle předpovědi
A přesně to prokázaly experimenty, které Fleming provedl. Aby dosáhl ještě přesvědčivějších výsledků, uskutečnil své pokusy nejen s obyčejným a ultratěžkým vodíkem, ale i s vodíkem ultralehkým.
K jeho přípravě opět využil mionu, resp. jeho antičástice – antimionu, kterým nahradil proton v jádře normálního vodíkového atomu. Tak vznikla další forma vodíku, ultralehký vodík, asi desetkrát lehčí než obyčejný vodík.
Obrovské penzum práce, kterou Fleming při svých pokusech odvedl, snad nejlépe zhodnotil jeho kolega Paul Percival z kanadské Univerzity Simona Frasera: "Já sám bych se do ničeho tak obtížného nepustil," tvrdí odborník na pokusy s miony, který se od počátku k Flemingovu výzkumu stavěl značně skepticky. "Jenže Don Fleming mi ukázal, že jsem se mýlil."
Zdroj: www.nature.com
