Usare l’elio come se fosse idrogeno: il segreto dei muoni 'mascherati'

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Alcuni chimici hanno lavorato con i componenti dell’atomo di elio e sono riusciti ad utilizzarli come se fosse idrogeno. Questa forma di alchimia permette di effettuare esperimenti fisici per vedere come le masse atomiche influiscono sui livelli delle reazioni chimiche. Il 'trucco' utilizzato coinvolge un acceleratore di particelle, una particella pesante subatomica e alcune nozioni di meccanica quantistica.

 

Donald Fleming e i suoi colleghi della University of British Columbia di Vancouver prendono i muoni prodotti all’acceleratore di particelle 'Canada’s Triumf' e li schiacciano in una nuvola di elio, idrogeno molecolare (due atomi di idrogeno) ed ammoniaca. I muoni positivi si trasformano in muonio, una versione leggera dell’idrogeno. I muoni negativi si trasformano invece in una versione pesante dell’idrogeno, che ha il nucleo dell’elio, ma chimicamente si comporta come l’idrogeno. Quest’ultimo effetto ha a che fare con il 'trucco' fatto con gli elettroni.

Nella versione pesante, gli atomi di elio hanno catturato i muoni, più pesanti degli elettroni. Le particelle caricate negativamente hanno orbitato molto vicino ai nuclei degli atomi di elio, dove hanno cancellato uno dei protoni. L’altro elettrone è quindi ingannato a vedere un nucleo con solo una particella caricata positivamente, proprio come un atomo di idrogeno. In realtà, il nucleo è 4,1 volte più pesante del normale.

Secondo lo studio di Fleming, pubblicato venerdì scorso sulla rivista Science, le versioni leggera e pesante dell’idrogeno differiscono nelle dimensioni di un fattore di 36. Secondo lo studio, questa scoperta si rivela utile per studiare gli effetti del quanto durante le reazioni chimiche. Un singolo atomo di idrogeno può formare idrogeno molecolare strappando uno degli atomi da una molecola di idrogeno H2 preesistente.

Ciò avviene ad alte energie, o attraverso il quantum tunneling, per cui una particella atomica non deve superare la barriera di energia cinetica che la tiene al suo posto. Energie atomiche differenti portano a differenti livelli di reazione chimica, e Fleming ed il suo staff hanno voluto testare questo fenomeno con il muonio leggero e l’idrogeno pesante. Come si aspettavano, la reazione chimica con l’elio mascherato si è rivelata la più lenta.

La reazione dell’idrogeno normale è stata più veloce, seguita dall’idrogeno leggero. I livelli hanno combaciato perfettamente con le previsioni effettuate con i calcoli quantistici svolti da Donald Truhlar della University of Minnesota di Minneapolis, membro del team di Fleming. L’esperimento conferma la capacità degli scienziati di prevedere le energie coinvolte nelle reazioni chimiche, e potrebbe rivelarsi utile nello studio degli effetti quantistici.

Antonino Neri

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