Ускорители молекул

В физике уже давно используются ускорители. Чтобы произошла реакция между частицами, они должны запастись энергией. Для этого физик разгоняет их в электромагнитном поле ускорителя. Ускорять, таким образом, молекулы не удавалось, поскольку они электронейтральны и электромагнитное поле на них не действует. Поэтому химики долгое время ускорители молекул не строили. Молекулы заставляли реагировать "по старинке", поднося горящую газовую горелку к колбе с раствором вещества.

Химики долгое время ускорители молекул не строили

Молекулы в растворе испытывают броуновское движение: без всякого смысла мечутся во все стороны и сталкиваются. "Осколки" расколовшихся молекул соединяются друг с другом, образуя новые. Если же они ударятся друг о друга несильно, то они просто отскочат одна от другой. Вот почему химики всеми путями стараются ускорить бег молекул, чтобы они не просто сталкивались, а разбивали друг друга.

Первый ускоритель молекул был примитивным – это ротор с лопатками, которые слегка погружались в исследуемую жидкость. Включив электромотор, ротор начинал вращаться, при этом каждая лопатка захватывала часть раствора и толкала в отверстие камеры. Молекулы, таким образом, получали энергию чуть выше, чем при нагревании газовой горелкой. Такой ускоритель молекул не вдохновлял.

Ускоритель молекул тяжелого газа можно построить следующим образом. В стальном баллоне сжимают водород, то есть легкий газ с добавкой небольшого количества тяжелого газа, например метана. Открыв вентиль, молекулы водорода, со свистом вырываясь из баллона, миллионы раз в течение секунды толкают молекулы метана и, в конце концов, ускоряют их за собой. Тяжелые летят с той же скоростью, что и легкие, но энергии накапливают больше пропорционально своему весу. Поставив на пути молекул экран с отверстием, можно образовать прямолинейный пучок практически одинаковой энергии. После этого пучок направляют в камеру, заполненную, например, хлором, с которым и должны прореагировать его молекулы.

Ускорить молекулы, прогнав их через ствол пушки-ускорителя, можно следующим способом. Дело в том, что молекулы большинства органических и неорганических веществ – это диполи, то есть каждая молекула ведет себя в электрическом поле так же, как стрелка компаса в магнитном поле Земли. Один конец диполя положительный, другой – отрицательный. Молекула стремится развернуться так, чтобы положительный конец приблизился к отрицательному полюсу электромагнита, а отрицательный – к положительному. Когда она оказывается между полюсами, ток отключается, и молекула по инерции движется дальше, к полюсам другого электромагнита. Потом и от него отключается ток. Так, двигаясь от одной пары полюсов к другой, молекула разгоняется, после чего ее направляют на мишень. Имея 700 таких стадий, можно разогнать молекулу до энергии 2 эв. Такие ускорители молекул имеют длину около 10 м.

Когда пучок столкнулся с мишенью, надо проанализировать что же получилось. Если бы получились заряженные частицы, их легко было бы измерить, так как они, попадая на пластины детектора, вызывают электрический ток. Нейтральные же продукты реакции тока не дают. Но для детектирования можно использовать тритий – радиоактивный изотоп водорода, а также радиоактивный изотоп углерода. Из баллона со сжатым газом тогда будут вырываться молекулы не простого метана, а радиоактивного. Когда такая молекула столкнется с молекулой хлора, то образуется хлористый метан, тоже радиоактивный, каждую молекулу которого легко поймать счетчиком Гейгера.

Используя ускорители молекул можно исследовать самые разнообразные органические вещества. Химические ускорители с радиоактивным детектированием позволяют изучать также нестабильные вещества.

Инструменты