Прискорювачі молекул

У фізиці давно використовуються прискорювачі. Щоб відбулася реакція між частинками, вони мають запастися енергією. Для цього фізик розганяє їх у електромагнітному полі прискорювача. Прискорювати, таким чином, молекули не вдавалося, оскільки вони електронейтральні та електромагнітне поле на них не діє. Тому хіміки тривалий час прискорювачі молекул не будували. Молекули змушували реагувати "по-старому", підносячи палаючий газовий пальник до колби з розчином речовини.

Молекули в розчині відчувають броунівський рух: без жодного сенсу кидаються на всі боки і стикаються. "Уламки" молекул, що розкололися, з'єднуються один з одним, утворюючи нові. Якщо ж вони вдаряться один об одного несильно, то просто відскочать одне від одного. Ось чому хіміки всіма шляхами намагаються прискорити біг молекул, щоб вони не просто стикалися, а розбивали один одного.

Перший прискорювач молекул був примітивним - це ротор з лопатками, які трохи занурювалися в досліджувану рідину. Увімкнувши електромотор, ротор починав обертатися, кожна лопатка захоплювала частину розчину і штовхала в отвір камери. Молекули, таким чином, отримували енергію трохи вище, ніж при нагріванні газовим пальником. Такий прискорювач молекул не надихав на хімічну реакцію.

Прискорювач молекул важкого газу можна побудувати в такий спосіб. У сталевому балоні стискають водень, тобто легкий газ із добавкою невеликої кількості важкого газу, наприклад, метану. Відкривши вентиль, молекули водню, зі свистом вириваючись із балона, мільйони разів протягом секунди штовхають молекули метану і, зрештою, прискорюють їх за собою. Важкі летять з тією ж швидкістю, що й легкі, але енергії накопичують більше пропорційно до свого ваги. Поставивши на дорозі молекул екран з отвором, можна утворити прямолінійний пучок практично однакової енергії. Після цього пучок направляють у камеру, заповнену, наприклад, хлором, з яким повинні прореагувати його молекули.

Прискорити молекули, прогнавши їх через ствол гармати-прискорювача, можна в такий спосіб. Справа в тому, що молекули більшості органічних та неорганічних речовин – це диполі, тобто кожна молекула поводиться в електричному полі так само, як і стрілка компаса в магнітному полі Землі. Один кінець диполя позитивний, інший негативний. Молекула прагне розвернутися так, щоб позитивний кінець наблизився до негативного полюса електромагніту, а негативний – до позитивного. Коли вона виявляється між полюсами, струм відключається, і молекула по інерції рухається далі, до полюсів іншого електромагніту. Потім від нього відключається струм. Так, рухаючись від однієї пари полюсів до іншої, молекула розганяється, після чого її спрямовують на ціль. Маючи 700 таких стадій можна розігнати молекулу до енергії 2 ев. Такі прискорювачі молекул мають довжину близько 10 м.

Коли пучок зіткнувся з мішенню, треба проаналізувати що вийшло. Якби вийшли заряджені частинки, їх було б легко виміряти, оскільки вони, потрапляючи на пластини детектора, викликають електричний струм. Нейтральні продукти реакції струму не дають. Але для детектування можна використовувати тритій - радіоактивний ізотоп водню, а також радіоактивний ізотоп вуглецю. З балона зі стисненим газом тоді вириватимуться молекули не простого метану, а радіоактивного. Коли така молекула зіткнеться з молекулою хлору, утворюється хлористий метан, теж радіоактивний, кожну молекулу якого легко зловити лічильником Гейгера.

Використовуючи прискорювачі молекул, можна досліджувати найрізноманітніші органічні речовини. Хімічні прискорювачі з радіоактивним детектуванням дозволяють вивчати також нестабільні речовини.