Alchymie 21. století: vědci přinutili helium, aby se chovalo jako vodík

  0:01aktualizováno  12:55
Kanadským vědcům se podařil nebývalý kousek. Přinutili atom helia, aby se choval jako atom vodíku, a to tak dokonale, že při tom obelstili i skutečné vodíkové atomy. Tomu se říká alchymie moderního věku.

Ilustrační foto | foto: Profimedia

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

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

Autor:
 

Nejčtenější

Jednosměrná letenka na rudou planetu se odkládá. Mars One krachuje

Ilustrace základny na Marsu, jak si ji představují v organizaci Mars One...

Firma Mars One, která slibovala soukromý let na Mars už v roce 2024, zkrachovala. Plány dostat na Mars lidské obyvatele...

Tančík pro vnuka poručíka Grubera. Němci ho nasadili i proti Tálibánu

Lehké obrněné vozidlo Wiesel s 20mm kanonem

V množině bojových vozidel Bundeswehru nalezneme s trochou štěstí i malé, ale o to více zajímavé tančíky Wiesel. Do...

Lokální předpověď počasí se razantně zpřesní, možná pomáhá i váš telefon

GRAF

Nejpřesnější lokální předpovědi počasí dnes nabízejí aplikace v našich telefonech - i proto, že s nimi samy pomáhají....

Kapitán nedosáhl na pedály. Začátek proudové éry přinesl zvláštní nehody

B-707 N7071  Braniff

Nová technika není vždy nutně bezpečnější. Dokládá to vývoj v letectví na přelomu 50. a 60. let. Piloti se s novými...

V Perském zálivu spustili největší baterii světa. Virtuální a bez lithia

Sodíko-sírové bateriové systémy japonské firmy NGK. Systém, který se vejde do...

Ve Spojených arabských emirátech byla připojena do sítě největší „virtuální“ baterie světa s obřím výkonem a úctyhodnou...

Další z rubriky

V kostele objevili utajenou gotickou kapli a v ní schránu s ostatky

Díváte se na výstup z georadaru. Zakroužkované místo ukazuje na dosud utajenou...

V nejbližších dnech očekávají historici potvrzení dalšího objevu. V kostele, jehož polohu zatím nesmíme prozradit,...

Jak spolehlivý je očitý svědek? Omyl může poslat nevinného za mříže

Ilustrační snímek

Lidem, kteří zločin přímo viděli, máme tendenci věřit a očitá svědectví jsou často důležitým důkazem. Osvobození na...

Chcete malého svalovce? My vám dítě poupravíme, láká firma

Ilustrační snímek

Bývalý programátor sháněl peníze na firmu, která chtěla vyvinout postupy pro vytváření geneticky upravených dětí. Měly...

ČPZP se stará o zdraví a pohodu nastávajících maminek i jejich dětí
ČPZP se stará o zdraví a pohodu nastávajících maminek i jejich dětí

Začátek nového života přináší do rodiny spoustu radosti, ale i starostí. Doprovází ho obavy o zdraví, změna režimu a zařizování nezbytné výbavičky pro miminko. Pomoc přichází z nejrůznějších stran. Od rodiny, přátel. Víte ale, že Česká průmyslová zdravotní pojišťovna nabízí maminkám až 3 000 Kč?

Najdete na iDNES.cz