Khí trơ cũng có thể hình thành phân tử bằng một cơ chế liên kết thứ ba

Trong từ trường cực mạnh của các sao lùn trắng và sao neutron, một loại liên kết hóa học thứ ba có thể xảy ra. Đó là kết quả của các nhà hóa học lí thuyết ở Na Uy, họ đã sử dụng các mô phỏng trên máy tính chứng minh rằng những phân tử cho đến nay chưa được tìm thấy có thể hình thành trong những từ trường cao hơn nhiều so với những từ trường được tạo ra trên Trái đất này.

Học sinh ngành hóa được học rằng có hai loại liên kết hóa học – liên kết ion, trong đó một nguyên tử nhường một electron cho một nguyên tử khác; và liên kết cộng hóa trị, trong đó các electron được dùng chung. Thật vậy, các liên kết hóa học trên thực tế thường rơi vào đâu đó ở giữa hai loại.

Khi hai nguyên tử tiến đến nhau, orbital nguyên tử của chúng hợp nhất thành orbital phân tử. Với mỗi hai orbital nguyên tử kết hợp thì có hai orbital phân tử hình thành. Một trong hai orbital này có năng lượng thấp hơn năng lượng của orbital nguyên tử thấp và được gọi là orbital liên kết. Còn orbital “chống liên kết” kia thì có năng lượng cao hơn năng lượng của orbital nguyên tử cao. Các nguyên tử đó thật sự có liên kết hay không được xác định bởi tổng năng lượng của các electron trong những orbital phân tử có thấp hơn tổng năng lượng của các electron trong các orbital nguyên tử ban đầu hay không. Nếu thấp hơn thì sự hình thành liên kết sẽ ưu tiên về mặt năng lượng và liên kết đó sẽ hình thành.

Các phân tử helium có thể hình thành trong những từ trường rất cao hay không? (Ảnh: NASA)

Các phân tử helium có thể hình thành trong những từ trường rất cao hay không? (Ảnh: NASA)

Liên kết và chống liên kết

Nguyên lí loại trừ Pauli cấm mỗi orbital chứa nhiều hơn hai electron (nó có thể chứa hai electron nếu chúng có spin ngược nhau). Nếu orbital nguyên tử của mỗi nguyên tử chứa đúng một electron, thì cả hai electron có thể đi vào orbital liên kết khi các orbital kết hợp. Do đó, cả hai electron bị giảm năng lượng và sự hình thành liên kết thuận lợi về mặt năng lượng. Nhưng nếu các orbital nguyên tử đó có mỗi orbital chứa hai electron, thì hai trong bốn electron sẽ phải đi vào orbital phân tử chống liên kết. Tóm lại, như vậy hai electron sẽ có năng lượng giảm bằng cách hình thành liên kết, còn hai electron sẽ có năng lượng tăng lên.

Dưới những điều kiện bình thường, orbital chống liên kết luôn luôn tăng năng lượng vượt xa năng lượng của orbital nguyên tử năng lượng cao nhiều hơn orbital liên kết giảm năng lượng dưới năng lượng của orbital nguyên tử thấp. Điều này có nghĩa là một liên kết hóa học có đủ orbital liên kết và orbital chống liên kết của nó sẽ luôn luôn có năng lượng cao hơn những orbital nguyên tử từ đó nó hình thành. Một liên kết như thế, do đó, sẽ không hình thành. Đây là nguyên do vì sao các nguyên tử khí trơ, chúng có các orbital nguyên tử lớp ngoài đầy đủ, hầu như không bao giờ hình thành nên phân tử trên Trái đất.

Nhưng nay Kai Lange và các đồng sự tại trường đại học Oslo ở Na Uy vừa sử dụng một chương trình máy tính do nhóm của họ phát triển, gọi là LONDON, để chứng minh rằng điều này không phải lúc nào cũng đúng. LONDON đã tạo ra các mô hình toán học của các orbital phân tử dưới sự ảnh hưởng của những từ trường khoảng 105 T. Giá trị này mạnh hơn nhiều so với những trường 30 – 40 T có thể được tạo ra trong các phòng thí nghiệm và có ảnh hưởng nhỏ đối với các liên kết hóa học.

Thay đổi quy tắc

Những từ trường lớn có thể liên quan đến những ai đang nghiên cứu các vật thể thiên văn như sao lùn trắng – nơi từ trường có thể đạt tới 105 T – và sao neutron, nơi từ trường có thể cao tới 1010 T. Dưới những điều kiện như vậy, đội khoa học chứng minh rằng các quy tắc liên kết phải thay đổi. Đặc biệt, orbital chống liên kết giảm năng lượng khi một phân tử lưỡng nguyên tử chịu tác dụng của một từ trường mạnh đặt vuông góc. Các phân tử có đủ orbital liên kết và chống liên kết, ví dụ như helium lưỡng nguyên tử, vẫn có thể được ưu tiên về mặt năng lượng.

Người đứng đầu nhóm Trygve Helgaker giải thích rằng tính phức tạp của LONDON đã cho phép nhóm ông tiến hành những tính toán mà những nhóm khác tìm thấy là không thể. “Chúng tôi có thể thực hiện những phép tính chính xác với mọi định hướng của các phân tử trong từ trường,” ông nói. “Người ta đã làm những phép tính cấu trúc điện tử như vậy trước đây rồi, nhưng tôi tin rằng các phép tính của họ bị hạn chế với tình huống trong đó từ trường song song với trục phân tử.”

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Science; trong một bài bình luận đi kèm, Peter Schmelcher thuộc Viện Vật lí Laser tại trường Đại học Hamburg, Đức, cho biết “Các nguyên tử, phân tử và các hệ vật chất ngưng tụ đặt trong từ trường mạnh là một chủ đề nghiên cứu hấp dẫn, và công trình này bổ sung thêm một cơ chế liên kết quan trọng.” Điều thú vị là trong khi ông tán thành rằng từ trường có mặt xung quanh một sao lùn trắng sẽ không thể đạt được trong một phòng thí nghiệm nào đó trong tương lai trước mắt, nhưng ông xem phương án các mô hình của nhóm nghiên cứu là có thể kiểm tra trên thực nghiệm. Các nguyên tử Rydberg là những nguyên tử bị kích thích cao có thể có kích cỡ bằng dấu chấm trên đầu chữ “i”. Vì chiều dài liên kết của các nguyên tử Rydberg là lớn, nên tương tác Coulomb nhỏ hơn nhiều, và Schmelcher tin rằng, do đó, người ta có thể sử dụng chúng để tạo ra từ trường có độ lớn sánh với độ lớn nêu trong nghiên cứu trên.

123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: physicsworld.com

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email
Tin tức vật lý
Tạo bảng điểm online

Thêm ý kiến của bạn

Security code
Refresh

Các bài khác


250 Mốc Son Chói Lọi Trong Lịch Sử Vật Lí (Phần 92)
05/07/2020
Hiệu ứng Doppler 1842 Christian Andreas Doppler (1803–1853), Christophorus Henricus Diedericus Buys Ballot (1817–1890) “Khi viên sĩ quan cảnh
250 Mốc Son Chói Lọi Trong Lịch Sử Vật Lí (Phần 91)
05/07/2020
Quang học sợi 1841 Jean-Daniel Colladon (1802–1893), Charles Kuen Kao (sinh 1933), George Alfred Hockham (sinh 1938)   Khoa học về sợi
Thời gian có thật sự trôi không?
28/06/2020
Các định luật vật lí hàm ý rằng sự trôi qua của thời gian là một ảo giác. Để né tránh kết luận này, chúng ta phải suy
Chuyện kể của một hạt muon
19/06/2020
Khám phá muon từng khiến các nhà vật lí bối rối. Ngày nay, các thí nghiệm quốc tế sử dụng hạt vốn từng khó hiểu này để
Vì sao lực hấp dẫn khác với những lực còn lại?
17/06/2020
Chúng tôi hỏi bốn nhà vật lí tại sao lực hấp dẫn lạc lõng trong số các lực của tự nhiên. Và chúng tôi nhận được bốn
Cấp độ trong vật lí học
13/06/2020
Không giống triết học, logic học, hay toán học thuần túy, vật lí là một khoa học vừa mang tính kinh nghiệm vừa mang tính định
Tương lai của tâm trí - Michio Kaku (Phần cuối)
13/06/2020
TRIẾT HỌC VÀ KHOA HỌC THẦN KINH Cuộc tranh luận giữa Nguyên lý Copernican và Nguyên lý Nhân loại cũng tạo ra tiếng vang trong khoa
Các nghịch lí Zeno
09/06/2020
ACHILLES VÀ CON RÙA “Mọi chuyển động đều là ảo giác.” Xếp thứ nhất trong chín nghịch lí của chúng ta có từ hai thiên

Chúng tôi hiện có hơn 60 nghìn tài liệu để bạn tìm

360 độ

Vật lý 360 độ là trang tin nhanh, trao đổi chuyên đề vật lý và các khoa học khác cũng như các nội dung liên quan đến dạy và học.
Hi vọng các bạn giúp chúng tôi bằng cách đăng kí làm CTV.
Liên hệ: banquantri@thuvienvatly.com