科学者は記録的な低温化学反応を行います

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科学者は記録的な低温化学反応を行います
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Anonim
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研究者らは、500ナノケルビンの温度でカリウムとルビジウムの二原子分子間の交換化学反応を記録しました。 Scienceに掲載された記事によると、著者らは極低温での相互作用を記録し、4つの原子からなる中間の不安定な錯体の存在を捉えることができました。

熱力学的観点から、温度は粒子の古典的な運動の平均運動エネルギーです。したがって、絶対零度になる傾向がある場合、原子と分子は凍結する必要があります。 (量子ゆらぎがまだあるため)任意の低温では完全な停止が発生しないという事実にもかかわらず、化学反応の過程は依然として大幅に変化する可能性があります。

原則として、化学反応はピコ秒のオーダーの時間で非常に速く進行します。これにより、中間体の直接の存在が捕捉されるのを防ぎます。同時に、理論の観点から、それらは非常に重要です。たとえば、触媒作用の理論の1つは、触媒と反応物からの中間物質の形成に正確に起因する反応の加速のメカニズムを説明しています。これ以前は、中間反応状態の直接測定はありませんでした。

科学者は、個々の原子や分子を極低温ガスの状態に変換する方法を知っています。これはいくつかの技術の組み合わせによって達成され、絶対零度に最も近いのはレーザー冷却の方法です。これにより、たとえば、固体に対する量子真空の影響をテストしたり、異常な物理システムをシミュレートしたりするために、多くの実験を実行できます。

ハーバード大学のKang-KuenNiが率いる科学者は、化学反応の進行を監視するために極度の冷却を使用しました。彼らの実験では、カリウムとルビジウムの二原子分子が原子を交換し、その結果、最初に4つの原子の中間錯体が得られ、次にカリウムとルビジウムの2つの二原子分子に崩壊しました:KRb + KRb→K2Rb2 *→K2 + Rb2 。

まず、著者らは、基底エネルギー状態の分子からガスを作成しました。この形式では、粒子はゼロの振動および回転量子数によって特徴付けられます。次に、それらは光トラップ、つまりレーザー放射によって生成された電位に配置されました。分子の動きが完全に止まらず、濃度が高いため、分子間で絶えず反応が起こっていました。しかし、超低温は相互作用の過程を非常に遅くしたので、中間複合体はマイクロ秒のオーダーで存在しました。

物質を登録するために、レーザーパルスが使用され、それが光イオン化につながりました。帯電した分子イオンは電場によって加速され、マイクロチャネルプレートに向けられました。これにより、粒子の飛行時間に基づいて粒子の質量を決定することが可能になりました。科学者たちはまた、粒子の速度分布を記録しました。現時点では、中間寿命を直接測定することはできませんが、対応する信号の大きさにより、3マイクロ秒の推定値を得ることができます。

著者らは、彼らの研究は、化学反応の過程における量子力学の詳細な役割を決定するために、いくつかの根本的に新しい実験を実施する可能性を示していると述べています。特に、このためには、中間化合物の寿命を正確に測定し、すべての関与物質のエネルギー準位の量子構造を研究する必要があります。

以前、同じグループの科学者がアルカリ金属の個々の原子間で化学反応を実行し、他の研究者はアセチレン分子の分解をサブフェムト秒の詳細で撮影し、レーザーで化学結合を「振る」ことによって反応を加速しました。

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