Исследователи заставили видоизменённые атомы гелия вести себя как атомы водорода. Это позволило проверить предположения о влиянии атомной массы реагирующего элемента на химические реакции.

«Учёные бомбардировали потоком мюонов смесь гелия, молекулярного водорода и аммиака», — пишет New Scientist. Некоторые атомы гелия захватывали мюоны, при этом данные отрицательные частицы заменяли собой один из двух электронов.

Поскольку мюон в двести с лишним раз тяжелее электрона, новая частица в атоме оказывалась на соответствующее расстояние ближе к ядру. Тем самым мюон наполовину экранировал его положительный заряд. И потому для второго электрона в том же самом атоме ядро выглядело как водородное.

Соответственно, гелий с мюоном внутри оказался химически идентичен обычному водороду (протию), но был вчетверо тяжелее его. А точнее — в 4,1 раза, потому экзотический атом учёные обозначили как ^4.1H.

Рис. 1. Слева – обычный гелий. Заряд его ядра равен +2 (оно содержит два протона и два нейтрона). В центре – «ультратяжёлый водород», а фактически – замаскированный гелий. В нём один из пары электронов заменён на мюон. Эффективный заряд ядра теперь равен +1 (хотя фактический по-прежнему +2). Справа – обычный водород (один протон и один электрон). Заряд его ядра равен +1 (иллюстрация New Scientist).

Это превращение Дональд Флеминг (Donald Fleming) из университета Британской Колумбии, Дональд Трулар (Donald Truhlar) из университета Миннесоты и их коллеги провели, чтобы проверить некоторые предсказания ядерной химии.

Дело в том, что в присутствии молекулярного водорода свободные единичные его атомы могут образовывать новые молекулы, отнимая от уже существующих один атом. Такая замена в паре не обязательно означает необходимость в разрыве химической связи и преодоления энергетического барьера. В работу тут вступает квантово-механический эффект туннелирования.

Теория предсказывает, что чем тяжелее частица, тем труднее ей туннелировать. Следовательно, чем массивнее изотоп водорода, тем медленнее должна идти указанная выше реакция.

С изотопами, содержащими один или два нейтрона, то есть весящими в два или три раза больше нормального водорода, проверка данной зависимости не составляет особого труда. А вот для ⁴H сделать это очень сложно, поскольку период полураспада его равен 10⁻²² секунды (что намного меньше, чем даже у удивительного позитрония).

Тут на сцену и выходит замаскированный гелий. Весит он практически столько же, сколько ⁴H, копирует его химически, но при этом живёт намного дольше. Соответственно, атомы гелия, мимикрировавшие под водород, прекрасно вступали в реакции, задуманные американцами и канадцами.

Исследователи сравнили темп реакций с полученными ранее показателями для нормального водорода и для мюония (это ещё одна имитация — тут протон в ядре водорода заменён на антимюон).

Как и ожидалось, реакции с замаскированным гелием шли медленнее всего, на втором месте оказался простой водород, а быстрее всех реагировал мюоний. Последний можно условно считать сверхлёгким изотопом водорода, для него даже есть альтернативное обозначение ^0.11H.

Детали эксперимента и выводы изложены в следующей статье:

Donald G. Fleming, Donald J. Arseneau, Oleksandr Sukhorukov, Jess H. Brewer, Steven L. Mielke, George C. Schatz, Bruce C. Garrett, Kirk A. Peterson, and Donald G. Truhlar Kinetic Isotope Effects for the Reactions of Muonic Helium and Muonium with H₂.  – Science 28 January 2011: Vol. 331 no. 6016 pp. 448–450; DOI: 10.1126/science.1199421.