Мал. 1. Умовне зображення молекули He2. Два атома гелію (один з яких до того ж збуджений) зображені далеко один від одного, щоб підкреслити незвично велику довжину зв'язку He-He. Зображення з сайту www.atom.uni-frankfurt.de
Молекули - стійкі з'єднання атомів - утворюються через те, що атоми здатні «ділитися» один з одним електронами. Стійкість молекул можна охарактеризувати енергією дисоціації (або енергією зв'язку), тобто енергією, яку необхідно передати молекулі, щоб розділити її на дві частини (для двохатомних молекул - для того, щоб розділити на два окремі атоми). Величина цієї енергії залежить від пристрою електронних оболонок атомів: грубо кажучи, чим охочіше атоми поділяються електронами, тим сильніше зв'язок, а значить, тим більше енергія дисоціації. У переважній більшості молекул зв'язок досить сильна; її енергія становить одиниці або десяті частки електронвольт. У перерахунку на макроскопічні кількості це близько сотні кілоджоулів на моль речовини, а в температурних одиницях це відповідає тисячам і десяткам тисяч градусів (втім, реальна дисоціація молекул починається при набагато нижчих температурах). Ще одним наслідком досить сильною хімічного зв'язку є компактний розмір молекул: атоми в молекулі сидять один поруч з одним на відстані близько розміру самого атома.
Абсолютно унікальним винятком із цієї закономірності є димер гелію. молекула He2. Це несподівано велика молекула - середня відстань між атомами гелію набагато більше їх розмірів. Через це димер гелію має виключно маленької енергією зв'язку, близько десятої частки мікроелектронвольта! Така молекула руйнується не тільки при кімнатній температурі, але і при температурах аж до міллікельвінов. Можна з повним правом сказати, що це сама тендітна молекула, відома на сьогоднішній день.
До теперішнього часу придумано кілька способів виміряти цей розмір. Один з них - чисто геометричний, а другий використовує найпростіші квантові властивості речовини. Про всяк випадок, пояснимо, що молекулу He2 треба розуміти не у вигляді звичної «гантельки», в якій два більш-менш локалізованих атома розділені великою відстанню (рис. 2, зліва), а у вигляді великого сферичного хмари, в якому розмазані два атома гелію (рис. 2, праворуч).
Найпростіший експеримент по визначенню розмірів молекули He2 полягає в тому, щоб пропускати холодний струмінь гелію через дрібне сито з відомими розмірами вічок (рис. 3). Молекула димера гелію зможе безперешкодно пролетіти крізь осередок сита, тільки якщо її центр мас потрапить всередину штрихового квадрата. В іншому випадку молекула «стукне» про сито і від удару розвалиться на окремі атоми. Вимірявши, наскільки ефективний розмір осередку для He2 відрізняється від реального геометричного розміру (а це можна зробити, порівнявши ймовірності прольоту для атомарного гелію і для його димера), можна визначити розмір молекули.
Другий спосіб, який використовує квантові властивості речовини, полягає у вивченні дифракції цих молекул на нанорозмірною дифракційної решітці. Молекули речовини, так само як і світло, мають хвильові властивості і тому здатні відчувати дифракцію. Дифракція на решітці призводить до того, що рух світла (або часток) відхиляється від прямолінійного на деякі певні кути - виходять дифракційні піки (див. Рис. 4). Закон, за яким інтенсивність цих піків спадає з ростом кута, визначається ефективною шириною щілини, яка для молекул димеру гелію менше реальної ширини. Цю залежність теж можна поміряти і витягти звідси розмір молекули.
Мал. 4. Схематичне зображення інтенсивності хвилі після проходження дифракційної решітки. Те, як сила дифракційних піків спадає з відстанню, залежить від розміру щілини в решітці. Зображення з сайту www.animatedscience.co.uk
Післямова
Тут корисно ще раз поглянути на рис. 2. Той факт, що середня відстань між атомами гелію в димере становить приблизно 52 ангстрема, зовсім не означає, що атоми крутяться один щодо одного саме на такій відстані. Насправді, два атома розмазані в дуже широкому діапазоні відстаней: від декількох до кількох сотень (!) Ангстрем. На рис. 5 показана теоретично розрахована хвильова функція димера в залежності від міжатомної відстані. Цікаво відзначити, що таке аномально широке і несиметричне розподіл призводить до того, що середнє (тобто середньо-зважене) міжатомна відстань зовсім не збігається з найбільш імовірним відстанню (при якому хвильова функція має максимум).
Настільки розмазана молекула - явище абсолютно незвичайне для атомної фізики, і тому експериментатори довго шукали спосіб не тільки виміряти середнє міжатомна відстань, але і прищепити сам профіль хвильової функції. Це вдалося зробити зовсім недавно, в минулому році. за допомогою так званого кулонівського вибуху молекули. Коли молекула поглинає фотон, з неї швидко вилітає один або кілька електронів. В даному випадку вдавалося за допомогою одного фотона вибити по одному електрону з кожного атома гелію. В результаті від хімічного зв'язку не залишалося й сліду: два іона гелію починали сильно відштовхуватися один від одного і розліталися в різні боки. По кутах і швидкостям вильоту електронів і ядер можна відновити те, в якому стані перебували ядра в момент іонізації.
Остання цікава річ, яку тут варто згадати, відноситься до ізотопів гелію. Всі описані експерименти проводилися з гелієм-4. Легший ізотоп гелію, гелій-3, взагалі не утворює димарів. Хімічна зв'язок He-He в ньому така ж, але квантове тремтіння атомів гелію-3 сильніше, і тому вони не здатні утриматися разом. Для того щоб утримати атоми гелію-3 в компактному кластері, потрібно не два, не три, не чотири, а приблизно 30 атомів. Тільки тоді їх взаємне тяжіння виявляється досить сильним, щоб утримувати атоми разом. Висловлюючись поетично, можна сказати, що гелій-3 - це речовина, яка починається не з молекул, а з крапельок.