Квантовые эффекты могут частично компенсировать друг друга

Похоже, для детального понимания физической химии даже, казалось бы, изученных веществ придётся учитывать не просто квантовые эффекты в таких соединениях, но и взаимодействие этих эффектов друг с другом.

Квантовая механика, как все помнят, очень важна при описании структуры и динамики воды, вплоть до уровня атомных ядер. В последнее время стало окончательно ясно, что даже при комнатной температуре такие эффекты должны играть большую роль для лёгких ядер — к примеру, таких как водород, один из компонентов молекулы воды. Однако очень долго под вопросом оставалось то, как это влияние совместимо с тем, что точки кипения и таяния тяжёлой (где на месте атома обычного водорода в молекуле находится дейтерий) и лёгкой (той, которую мы пьём) воды практически совпадают.

Компенсация одних квантовых эффектов другими объясняет, почему их общее влияние на свойства тяжёлой и лёгкой воды кажется сравнительно небольшим. (Иллюстрация Giovanni Romanelli et al.)

В теории, поскольку тяжёлая вода содержит дейтерий, который вдвое тяжелее обычного водорода, можно было бы ожидать, что ядерные квантовые эффекты будут воздействовать на неё совсем иначе, чем на обычную жидкость. Но на деле разница, скажем, по температурам плавления тяжёлого и лёгкого льда не достигает 4 К, а для кипения — ещё меньше.

Это заставило учёных во главе с Джованни Романелли (Giovanni Romanelli), представляющим Римский университет «Тор Вергата» (Италия), поближе присмотреться к процессам, которые идут на границе раздела сред и определяют скорость таяния или кипения разных жидкостей.

Исследования ситуации на границе жидкости и пара (а также льда и жидкости для таяния) методом неэластичного рассеивания нейтронов показали, что два ядерных квантовых процесса, одновременно имеющие место в воде, придают молекулам последней импульс в разных направлениях и частично компенсируют друг друга, серьёзно нивелируя значимость ядерных квантовых эффектов на практике. В частности, связи водорода с дейтерием получали импульс в направлении основной массы воды или льда, в то время как связи кислорода с лёгким водородом — в направлении поверхности, соприкасающейся с паром. В итоге конечные проявления этих эффектов становились малоразличимыми.

Равновесие, определяющее фракционирование водорода и дейтерия между жидкой водой и её же паром. Обмен свободной энергией, связанный с этим процессом, был бы равен нулю при отсутствии квантовых эффектов, так что он практически полностью вытекает из квантовой механики. (Иллюстрация Stanford University.)

Хотя на сей раз физики были сконцентрированы на воде (проведя ряд симуляций с другими случаями с вовлечёнными лёгкими ядрами), они пришли к выводу, что слабость ядерных квантовых эффектов должна быть связана именно с конкуренцией разных квантовых эффектов. Своей следующей целью авторы работы называют литий, значение квантовых эффектов для которого тоже должно быть весьма велико.

Отчёт об исследовании опубликован в издании Journal of Physical Chemistry Letters.

Подготовлено по материалам Phys.Org.