29. Самая хрупкая молекула
Почему вообще существуют молекулы? Почему они не рассыпаются на отдельные электрически нейтральные атомы? Они образуются из-за того, что атомы способны «делиться» друг с другом электронами. Устойчивость молекул можно численно выразить с помощью энергии связи, или энергии диссоциации, то есть энергии, которую необходимо передать молекуле, чтобы разделить ее на две части. Величина этой энергии зависит от устройства электронных оболочек атомов: чем охотнее атомы делятся электронами, тем сильнее связь, а значит, тем больше энергия диссоциации.
В подавляющем большинстве молекул связь достаточно сильная. Ее энергия составляет единицы или десятые доли электронвольта, что в пересчете на макроскопические единицы дает порядка сотни килоджоулей на моль вещества и отвечает температурам диссоциации в тысячи градусов. Сильная химическая связь ответственна и за компактный размер молекул: атомы в молекуле сидят друг рядом с другом на расстоянии порядка размера самого атома, а вовсе не болтаются вдалеке друг от друга.
Рис. 1. Условная схема молекулы He2. Два атома гелия изображены далеко друг от друга, чтобы подчеркнуть необычно большую длину связи He–He
Совершенно уникальным исключением из этой закономерности является димер гелия, молекула He2. Это неожиданно большая молекула — среднее расстояние между атомами гелия оказывается намного больше их собственных размеров. Такая гигантомания в двухатомной молекуле возникает оттого, что димер гелия обладает мизерной энергией связи — меньше микроэлектронвольта! Такая молекула просто не может существовать не только при комнатной температуре, но и даже при температурах в милликельвины — при столкновении друг с другом молекулы димера гелия тут же развалятся на отдельные атомы. Можно с полным правом сказать, что это самая хрупкая молекула, известная на сегодняшний день.
Из-за своей беспрецедентной хрупкости молекула He2 с трудом поддается экспериментальному изучению. Любой стандартный способ изучения молекул — посветить светом, облучить электронами, даже просто положить на поверхность — тут же ее разрушит. Будем считать, что все, что вы можете делать, это получить сверххолодную струю гелия, в которой некоторая часть атомов гелия будет объединена в димеры, и регистрировать датчиком поток молекул He2, что на самом деле совершенно нетривиальная задача, которая впервые поддалась решению в 1993 г. Будем считать, что ваш датчик это делать умеет.
Возникает вопрос: как вообще определить размер этой молекулы, то есть длину химической связи He–He, если молекула димера гелия разваливается при малейшем воздействии?
Задача
Придумайте постановку эксперимента, который позволил бы определить размер молекулы димера гелия.
