Молекулы воды удалось разделить по спиновым характеристикам
21 января 2011 года, 18:29 | Текст: Дмитрий Сафин |
Физики из отделили спиновые изомеры воды друг от друга.
Появление изомеров воды обусловлено тем, что молекулы водорода могут принимать две разные формы: в ортоводороде спины двух протонов сонаправлены, а в параводороде — антипараллельны. Соотношение изомеров и их физические свойства (несколько различающиеся) играют заметную роль в самых разных исследованиях, однако доступный способ отделения ортоводы от параводы до сих пор не найден. В 2002 году российские учёные Владимир Тихонов и Александр Волков из , казалось, задачу в опыте с водяным паром, но другие группы воспроизвести описанные результаты не смогли.
Израильские исследователи пошли по классическому пути, который был проложен Отто Штерном и Вальтером Герлахом около девяноста лет назад. Знаменитый , изначально выполнявшийся на примере атомов серебра, иллюстрировал основные положения квантовой механики и служил доказательством того, что у атомов действительно есть спин. Суть методики заключалась в следующем: пучок атомов серебра пропускали через неоднородное магнитное поле, напряжённость которого изменялась по оси, перпендикулярной оси пучка. Атомы отклонялись от первоначальной траектории и расходились в разные стороны, причём новое направление движения зависело от направления спина.
В современном варианте опыта, рассчитанном на молекулы воды, всё несколько сложнее. Система из двух атомов водорода даёт четыре разные спиновые конфигурации, и для того, чтобы выделить одну из них, авторам пришлось пропускать молекулярный пучок через гексапольное магнитное поле. Оно действует подобно линзе, «собирая» молекулы с определёнными параметрами в одной точке и направляя остальные по расходящимся траекториям.
Установка для разделения изомеров (фото Science / AAAS).
Пучок также необходимо было замедлить, чтобы молекулы успели разойтись на сколько-нибудь заметное расстояние. Из-за этого в опыте использовалась смесь водяного пара и криптона, в которой доля благородного газа составляла 97%; более тяжёлые атомы криптона снижали скорость всего пучка. Когда всё было учтено, на расстоянии около 2 метров от источника исследователи получили пучок диаметром в 1,5 мм, в котором содержалось 97% ортоводы.
В ближайшем будущем израильтяне планируют выяснить, на какое время сохраняется такое разделение изомеров. Этот вопрос важен с практической точки зрения: применение образцов воды с известными и жёстко заданными спиновыми характеристиками расширит возможности известной методики .
