Eksperimentelle bevis


I VIKTIG VANN, er molekylene uordnet. Men i isen ( venstre ) peker de svake hydrogenbindingene mellom molekylene alle i bare fire forskjellige retninger fordi molekylene er frosset i et regelmessig repeterende mønster. Ved å skinne x stråler på is fra flere forskjellige vinkler, kunne et internasjonalt forskergruppe bekrefte den kontroversielle ideen som ble fremskaffet i 1930-tallet av Nobelprisvinneren Linus Pauling, at de svake hydrogenbindingene i vann delvis får sin identitet fra sterkere kovalente bindinger i H 20 molekyl. Hvi

I VIKTIG VANN, er molekylene uordnet. Men i isen ( venstre ) peker de svake hydrogenbindingene mellom molekylene alle i bare fire forskjellige retninger fordi molekylene er frosset i et regelmessig repeterende mønster. Ved å skinne x stråler på is fra flere forskjellige vinkler, kunne et internasjonalt forskergruppe bekrefte den kontroversielle ideen som ble fremskaffet i 1930-tallet av Nobelprisvinneren Linus Pauling, at de svake hydrogenbindingene i vann delvis får sin identitet fra sterkere kovalente bindinger i H 20 molekyl.

Hvis Pauling var riktig, ville elektronene i hydrogenbindingene også vise de wavelike egenskaper som er typiske for kvantestater, akkurat som de kovalente bindingene. Elektronbølgene på de kovalente bindingsstedene - som holder vannmolekylene sammen - og de på hydrogenbindingssteder - som tiltrekker seg enkelte vannmolekyler til hverandre - vil overlappe, noe som gjør de enkelte elektronene noe uutslettelige.

For å teste Pauling's formodning, viste forskerne seg for et fenonmenon kjent som Compton-spredning. Navngitt etter fysiker Arthur Holly Compton, som vant Nobelprisen i 1927 for sin oppdagelse, oppstår Compton-spredning når en foton påvirker et materiale som inneholder elektroner. Fotonen overfører noe av sin kinetiske energi til elektronene, og kommer ut av materialet med en annen retning og lavere energi.

Compton scattering er et av de få eksperimentelle verktøyene som kan skaffe direkte informasjon om lavenergi-tilstanden til et elektron i et atom eller molekyl. Ved å måle energien som er tapt av en foton og dens retning som den sprer seg fra et fast stoff, kan forskere bestemme momentumet det overfører til elektronene i et molekyl - og lære om den originale momentumtilstanden til elektronen selv. Fra denne informasjonen kan de rekonstruere elektronens "bakketilstandsbølgefunksjon" - den komplette kvantemekaniske beskrivelsen av et elektron i et hydrogenbinding i lavest energitilstand.

Compton-effekten er imidlertid svært subtil. Bare en tiendedel av alle elektronene i is er forbundet med hydrogenbinding eller sigmabindingen. Resten er elektroner som ikke danner obligasjoner - men deres data vil også bli samlet inn.

Men forskerne brukte det kraftigste verktøyet som er tilgjengelig - det europeiske synkrotronstråleanlegget i Grenoble, Frankrike, som produserer ultralette stråler av røntgenfotoner, slik at eksperimentene får nok Compton-spredningshendelser til å utføre en meningsfull statistisk analyse. Også ved å skinne røntgenstrålene fra flere forskjellige vinkler, var forskerne i stand til å trekke ut bidrag fra ikke-deltagende elektroner.

Ved å ta hensyn til forskjellene i spredningsintensitet og plotte intensiteten til de spredte røntgenstrålene mot deres momentum, observert teamet wavelike frynser som korresponderer med forstyrrelser mellom elektronene på nærliggende sigma- og hydrogenbindingssteder. Disse kantene viser at elektroner i hydrogenbindingen er delt kvantummekanisk. Fra teoretisk analyse og eksperiment anslår teamet at hydrogenbindingen får omtrent 10 prosent av dens oppførsel fra et kovalent sigma-bindingsforhold.

I grafen nedenfor viser de røde prikkene de eksperimentelle datapunktene sammen med deres feilstenger, den solide sorte linjen viser tilpasningen forutsatt av teorien, og de svarte punktene angir hva dataene ville se ut om elektronene på hydrogenbindinger ikke var påvirket av de sterkt kovalente sigma-bindingene. Konklusjonen: Bakgrunnsbølgefunksjonen i is indikerer at det er en kvantemekanisk overlapping av elektronene på nærliggende H20 molekyler. Således er hydrogenbindingen delvis kovalent som Pauling forutslo.


Bilder: Bell Labs



Tilbake til vann og is

Siste nytt

Når det kommer til fotosyntese, utfører planter kvantumberegningOceanic Dead Zones Fortsett å spreAstronautene tar første biter av salat vokst i rommetSoaring City SlickersVil fornyet interessen for kjernefysisk kraft gjenopplive uranindustrien?Hva er neste for NASAs nye astronautklasse?Gå FjerdeTopp Sci / Tech Gaver 2003