מסע לתוך המולקולה

מדענים מדדו את מהירויות החלקיקים במולקולה, כשניתחו את תנועתם של ארבעת החלקיקים המרכיבים מולקולה של דויטריום. ניתוח תיאורטי של מערכת כזו הוא אתגר, כי כרגע לא קיים מודל מפורט לעריכת השוואה בין הממצאים הניסיוניים לחישוב תיאורטי

מיכל סחף, גלילאו

קישור ישיר לדף זה: https://www.hayadan.org.il/whatismolecule.html

כיצד בנויה מולקולה? מהם המרחקים בין החלקיקים שבה, מהן מהירויותיהם, ומה כיווני התנועה שלהם? מכאניקת הקוונטים מספקת את התשובות לשאלות אלה – וכדרכה, אינה עוסקת בחלקיקים נקודתיים בעלי מקום ומהירות מדויקים, אלא בענני הסתברות. ככל שהמולקולה מורכבת יותר, כך קשה יותר לבצע חישובים שייתנו תמונה ברורה על המתרחש בתוך המולקולה, ויביאו בחשבון את מסלולי האלקטרונים, את תנודות הגרעינים ואת השפעותיהם ההדדיות.
קבוצה הכוללת מדענים (Thorsten Weber, Reinhard Dorner ועמיתים) מרחבי העולם פרסמה מאמר בנייצ'ר, בו מוצג מחקר העוסק בדינמיקה של החלקיקים בתוך מולקולה. החוקרים ניתחו את תנועתם של ארבעת החלקיקים המרכיבים מולקולה של דויטריום (מימן כבד): שני אלקטרונים, ושני גרעינים שכל אחד מהם מכיל פרוטון ונויטרון. הניסויים נערכו במעבדות ברקלי (Berkeley) שבקליפורניה.
במהלך הניסוי הופגזה המולקולה בפוטונים; בליעת אנרגיה של פוטון גורמת לרוב לשחרור של אלקטרון יחיד, אך עשוי להתרחש גם שחרור של שני האלקטרונים. במקרה כזה לא קיים עוד כוח שיחזיק קשורים כמולקולה את שני הגרעינים החיוביים. הם נדחים זה מזה, והמולקולה מתפרקת.
מקרים כאלה נחקרו באמצעות גלאֵי חלקיקים. שדות חשמליים ומגנטיים כיוונו את החלקיקים אל מכשירי המדידה אשר קלטו את “שברי” המולקולה ומדדו את מהירותם. כאשר ידועה המהירות, וכן ידועים זמני ההתרחשות במערכת, הכוחות הפועלים בה לאחר ההתפרקות ומיקומה של המולקולה בטרם התפרקה, ניתן לשחזר את תנועת החלקיקים בתוך המולקולה ברגע התפרקותה.
אם התהליך הגורם להתפרקותה של המולקולה מובן דיו, ניתן להסיק מהממצאים מסקנות בנוגע לדינמיקה של החלקיקים במצב הקשור, כלומר בטרם התרחשה הפגיעה. פוטון הוא חלקיק חסר מאסה ומטען חשמלי, ולכן האינטראקציה שלו עם המולקולה (המכונה “פיזור”) פשוטה יחסית.
בניתוח התנועה ניתן להניח כי הפוטון שינה רק את מהירויותיהם של האלקטרונים, בעוד גרעיני האטומים, הכבדים יחסית, נמצאו ברגע ההתפרקות באותו מצב שהיו בו בטרם הפגיעה. לאחר ההתפרקות, רק הדחייה החשמלית הפועלת ביניהם משנה את מהירויותיהם.
דחייה זו תלויה במרחק ביניהם, וממדידת המהירות הסופית ניתן לקבל מושג על המרחק ההתחלתי המפריד בין הגרעינים. כן ניתן ללמוד על השפעתו של מרחק זה על תנועת האלקטרונים. מסתבר כי תנועת האלקטרונים תלויה באופן הדוק במרחק שבין הגרעינים.

ניתוח תיאורטי של מערכת כזו הוא אתגר. לא קיים כרגע מודל מפורט דיו לעריכת השוואה בין הממצאים הניסיוניים לחישוב תיאורטי. מודלים שיצרו עורכי הניסוי לא הסבירו באופן מלא את התצפיות, בייחוד את אופי התלות בין תנועת האלקטרונים למרחק שבין הגרעינים.
ידען הפיסיקה

https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~63376524~~~95&SiteName=hayadan