ما هو التفاعل الكيميائي الناتج عن التقاء الجزيئات عند درجة حرارة قريبة من الصفر المطلق؟ اكتشف علماء من معهد وايزمان أنه عند درجات الحرارة المنخفضة جدًا، يمكن أن تؤدي الاصطدامات بين الجزيئات إلى تحركها إما على شكل كرات أو كأجسام ممدودة.
تعتمد حركة الجسم بعد الاصطدام بجسم آخر إلى حد كبير على شكله: فالجسم الكروي سوف يدور بطريقة مختلفة عن الجسم الممدود. الجزيئات بالطبع ليست كروية، ولكن عند درجات حرارة منخفضة جدًا - قريبة من الصفر المطلق - من الممكن جعلها تتحرك إما على شكل كرات أو على شكل أجسام ممدودة بعد الاصطدام. هذا الاستنتاج ينبثق من دراسة حديثة البروفيسور إدواردز ناريفيتشيوس ومجموعته البحثية في قسم الكيمياء الفيزيائية في معهد وايزمان للعلوم. هذه النتائج التي نشرت مؤخرا في المجلة العلمية فيزياء الطبيعة، تؤكد فرضية في مجال نظرية الكم، وقد تؤثر على بناء الاجهزة التجريبية في الكيمياء والفيزياء.
تحدث التصادمات بين الذرات والجزيئات في كل مكان حولنا طوال الوقت، وهي ضرورية لمعظم التفاعلات الكيميائية. ولكن لفهم هذه العملية بعمق، يلجأ عدد غير قليل من العلماء إلى عالم الظواهر الكمومية. أنشأ البروفيسور ناريفيتشيوس وفريقه البحثي مجموعة تجريبية فريدة من نوعها، تتيح دراسة التفاعلات الكيميائية بين الذرات أو بين الجزيئات عند درجة حرارة قريبة من الصفر المطلق - عن طريق التسبب في تصادمات بينها عن طريق دمج حزمتين متوازيتين من الجسيمات.
وفي التجربة الحالية، ركز العلماء على الاصطدامات التي تحدث بين الجزيئات. لقد تمت دراسة اصطدام الذرات قديما، لكن الذرات -وفقا للفيزياء الكلاسيكية- كروية، بينما الجزيئات لها بنية مستطيلة. كما ذكرنا، فإن بنية الجسم المتصادم تؤثر على الطريقة التي سيتحرك بها بعد الاصطدام. على سبيل المثال، جزيء الهيدروجين (H2)، أبسط جزيء، يتكون من ذرتين مرتبطتين ببعضهما البعض. هل تتصرف جزيئات الهيدروجين المستطيلة بشكل مختلف عن الذرات الكروية؟ وهل معرفة شكلها كافية للتنبؤ بنتيجة الاصطدام؟
وفقًا للفيزياء الكلاسيكية، يمكن وصف الأجسام الساكنة من خلال بنيتها الشكلية. لكن وفقًا لنظرية الكم، فإن الذرات والجزيئات والإلكترونات في حركة مستمرة حتى عند الطاقات المنخفضة جدًا، القريبة من الصفر المطلق. لذلك، فإن نتيجة الاصطدام بين الجزيئات لا تعتمد فقط على بنيتها الشكلية، ولكن أيضًا على اتجاهها، والذي وفقًا لنظرية الكم ليس محددًا بشكل جيد، ولكنه يظهر في نوع من مجموعة الاحتمالات. لفهم "شكل" الجزيء، يجب تحليل توزيع هذه الاحتمالات. إن محاولة فهم التفاعلات بين العوامل المختلفة في عالم الكم تطرح تحديات إضافية: وفقًا لنظرية الكم، من المستحيل متابعة الاصطدام مباشرة بين الذرة والجزيء (كما هو ممكن، على سبيل المثال، في "عالم الأشياء الكبيرة"). الأشياء"، لمشاهدة حركة كرات البلياردو على الطاولة).
يقول البروفيسور ناريفيتشيوس: "لحسن الحظ، لدينا أداة ممتازة تساعدنا على مراقبة مثل هذه الأحداث. وفي دراسة سابقة اكتشفنا نطاقا ضيقا من درجات الحرارة المنخفضة جدا، حيث يكون معدل التفاعل أعلى بكثير من المعدل الطبيعي. في هذا المجال، بدلاً من إطلاق الجسيمات مرة أخرى من الجزيء الذي اصطدمت به، تحدث ظاهرة تسمى "النفق"، وتمر الجزيئات عبر حاجز الطاقة، مما يزيد من احتمالية حدوث التفاعل."
قام أعضاء مجموعة بحث البروفيسور ناريفيتشيوس، بما في ذلك طالبا البحث أييليت كلاين ويوفال، مع المنظرين الدكتور فويتشخ سكوموروفسكي والبروفيسور كريستيان كوخ من جامعة كاسل في ألمانيا، بإجراء تجربتي تصادم وقاموا بتحليل النتائج. في التجربة الأولى، كانت الجزيئات في الحالة الأرضية، أي أن طاقتها الدورانية كانت في أدنى حد ممكن، وفي التجربة الثانية، كانت الجزيئات في حالة "مثارة". وفي كلا التجربتين تم قياس بيانات التصادم بين جزيئات الهيدروجين وذرات الهيليوم.
الباحثون، الذين كانوا يبحثون عن التغيرات في معدل تفاعل الجسيمات المتصادمة التي من شأنها أن تشير إلى وجود النفق، أجروا التجربتين في سلسلة من درجات الحرارة - من درجة حرارة الغرفة إلى درجة حرارة بضعة ملي كلفن، أي عدة أجزاء من الألف من درجة فوق الصفر المطلق. وفي معظم أنحاء النطاق، حتى درجة كلفن واحدة، تتصرف معظم الجزيئات كأجسام كروية. يقول البروفيسور ناريفيتشيوس: "كان من المستحيل التمييز بينها وبين الذرات". "ولكن عندما دخل التفاعل إلى نطاق الميليكلفن، بدأت أشياء مثيرة للاهتمام تحدث. استمرت الجزيئات في الحالة الأرضية للطاقة الدورانية في التصرف كأجسام كروية؛ في المقابل، تتصرف الجزيئات في الحالة المثارة مثل العصي أثناء الاصطدام. الجزيئات البسيطة، في حالتها الأساسية، تكون متناظرة تمامًا، مثل الذرات. يؤدي إثارة هذه العناصر إلى كسر التناظر، وكشف شكلها المطول الحقيقي. ومن خلال التحكم في حالة إثارة الجزيء، من الممكن إنشاء نوع من مفتاح النقل بين سلوك الذرة وسلوك الجزيء."
ويخطط العلماء الآن لتوسيع التجربة من الاصطدامات الفردية إلى مجموعة تتضمن العديد من الأجسام. من المتوقع أن تؤدي التجارب التي تخلق فيها العديد من الجزيئات نوعًا من الحالة "المكثفة" إلى توسيع الأفكار في هذا المجال، وربما تؤدي حتى إلى إمكانية التحكم في العلاقات المتبادلة بين الجزيئات عن طريق تغيير حالة الإثارة والدوامة الخاصة بها.
#أرقام_علمية
عند درجة حرارة أقل من درجة كلفن واحدة، يتغير هيكل جزيء الهيدروجين الذي يصطدم بالذرة. بدلاً من البنية المتماثلة، فإنها "تتبنى" بنية كروية مثالية.
