Ученые экспериментально разделили молекулы воды по их квантовым состояниям

vp1m8psNqss1

Впервые на практике удалось получить чистые образцы орто- и параводы.

На фото: Принципиальная схема разделения орто- и пара- молекул воды. Изображение: статья в Angewandte Chemie

Коллективу немецких ученых удалось в эксперименте разделить пучки охлажденных молекул воды по квантовым состояниям атомов водорода. Такие работы проводились ранее на более специфичных молекулах. Для воды это удалось с такой чистотой сделать впервые. Работа опубликована в Angewandte Chemie International Edition.

В молекуле воды есть два ядра водорода (два протона), каждый из которых может иметь спин +½ или -½. Вся молекула целиком, таким образом, может находится в одном из четырех квантовых состояний. Из квантовой механики известно, что три из них будут симметричными (орто-), а одно — антисимметричным (пара-). Существует хорошо известный эффект Штарка, при котором молекулы в разных спиновых состояниях по-разному взаимодействуют с сильным электрическим полем.

Сама возможность разделения воды существует потому, что, согласно постулатам квантовой механики, молекула не может спонтанно перейти из одного состояния в другое. Таким образом, две чистые фракции после разделения смеси должны (теоретически) существовать в таком виде бесконечно долго. На практике оказывается, что из-за тепловых столкновений молекулы воды все же могут изменить свое спиновое состояние, поэтому для хранения разделенных образцов требуется глубокое охлаждение.

Охлажденная до температур в несколько кельвинов вода находится в основном электронном и колебательном состояниях, которые оказываются симметричными. Таким образом, эффект от антисимметричного парасостояния может наблюдаться только за счет вращательных уровней.

Сверхзвуковой пучок воды при температуре восемь кельвинов помещали в сильное электрическое поле. Из-за эффекта Штарка орто- и парамолекулы воды отклонялись в поле по-разному и фокусировались в разных частях детектора, основанного на явлении резонансной мультифотонной ионизации (REMPI). По результатам эксперимента чистота воды в ортосостоянии составила 96%, а в парасостоянии — 99%.

По мнению авторов, даже если не учитывать большое фундаментальное значение работы, существует много сфер применения воды в чистом спиновом состоянии. Так, в астрономии по анализу соотношения спиновых состояний воды можно сделать ряд выводов о соответствующем небесном теле, а в спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) существует метод повышения чувствительности, основанный на использовании растворителя в чистом спиновом состоянии. Используя воду в такой спектроскопии, можно, к примеру, получать структуры белков в очень высоком разрешении.