ترگیو هلگاکر[1] شیمیدان کوانتومی در دانشگاه اسلو به همراه همکارانش، اخیرا در مقاله ای که در نشریه Science منتشر شده، نشان داده اند که در حضور میدان های مغناطیسی قوی از مرتبه 10⁵ تسلا، نوع سومی از پیوند شیمیایی امکان پذیر است.

پیش از این، در درس های شیمی عنوان می شد که دو نوع پیوند شیمیایی وجود دارد: پیوند یونی و پیوندهای کووالانسی. در پیوند یونی، یک اتم یک الکترون خود را به اتم دیگری می بخشد اما در پیوند کووالانسی الکترون ها به اشتراک گذارده می شوند. این گروه از شیمی دان های نروژی با استفاده از شبیه سازی های رایانه ای، نوعی دیگر از پیوندهای شیمیایی را یافته اند.

چنین میدان های مغناطیسی در طبیعت در ستارگان نوترونی و کوتوله های سفید وجود دارد. آن ها ابتدا اثر میدان مغناطیسی را بر پایین ترین حالت انرژی یا حالت پایه در نظر گرفتند. هلگاکر می گوید:«مولکول هایی دمبل شکل، موازی جهت میدان قرار گرفتند و پیوندها کوتاه تر و پایدار شدند.» وقتی یکی از الکترون ها به سطحی از انرژی می رسد که معمولا پیوند را می شکند، مولکول شروع به چرخش می کند و به شکل عمود بر میدان متوقف می شود.

در واقع نکته این جاست که در حضور میدان های ضعیف، چنین وضعیتی باعث می شود که مولکول از هم بپاشد اما این نوع جدید از پیوند، اتم ها را کنار هم حفظ می کند. همین پدیده می تواند بین اتم های هلیوم رخ دهد، اتم هایی که معمولا اصلا پیوند برقرار نمی کنند.

هلگاکر می گوید: «نحوه حرکت الکترون ها نسبت به میدان و انرژی جنبشی آن ها می تواند به اندازه جاذبه الکترواستاتیکی بین الکترون و هسته مهم باشد.»

فیزیک پیوند جدید

وقتی دو اتم کنار هم قرار بگیرند،  اوربیتال های اتمی آن ها ترکیب می شوند تا اوربیتال های مولکولی شکل گیرند. به ازای هر دو اوربیتال اتمی ترکیب شده، دو اوربیتال مولکولی شکل می گیرد. انرژی یکی از آن ها نسبت به هر دو اوربیتال اتمی کمتر است و اوربیتال پیوند نامیده می شود. اوربیتال دیگر اوربیتال پادپیوند نامیده می شود و انرژی آن از دو اوربیتال اتمی بالاتر است. تصمیم برای پیوند بین اتم ها به این وابسته است که آیا انرژی کل الکترون ها در اوربیتال های مولکولی کمتر از انرژی کل الکترون ها در اوربیتال های اتمی اصلی باشد. اگر چنین شود، شکل گیری پیوند از لحاظ انرژی ترجیح دارد و پیوند تشکیل می شود.

در شرایط معمول، انرژی اوربیتال پادپیوند بسیار بیشتر از بالاترین انرژی اوربیتال اتمی و انرژی اوربیتال پیوند کمتر از پایین ترین انرژی اوربیتال اتمی است. یعنی این که پیوند شیمیایی با اوربیتال های پادپیوند و پیوند پر، همیشه انرژی بیشتری نسبت به اوربیتال های اتم های سازنده دارند. به همین خاطر تقریبا هیچ وقت گازهای نجیب روی زمین تشکیل مولکول نمی دهند.

اما این گروه نشان داده اند که تحت میدان مغناطیسی زیاد، قواعد ایجاد پیوند فرق می کند. به ویژه، وقتی مولکولی دواتمی تحت میان مغناطیسی قوی قرار گیرد، انرژی اوربیتال پادپیوند انرژی کمتر می شود؛ یعنی مولکول هایی با اوربیتال های پیوند و پادپیوند مانند هلیوم دو اتمی از لحاظ انرژی ترجیح داده شده و وجود چنین مولکول هایی ممکن است.

میدان ستارگان

اگر این حالت های جدید در دماهای بسیار بالا حفظ شوند در جو برخی از ستارگان نوترونی و  کوتوله های سفید وجود خواهند داشت؛ میدان مغناطیسی در ستارگان نوترونی تا 10¹⁰ و در کوتوله های سفید تا 10⁵ تسلا می رسد.  اما دانگ لی[2] اخترفیزیکدانی در دانشگاه کرنل-نیویورک می گوید مشاهده چنین پیوندهایی دشوار است. این گروه باید مدلش را توسعه دهد تا ببینید که آیا این پیوندهای غیرمعمول طیف نور آمده از ستارگان را به نحوی قابل تشخیص تغییر می دهد یا خیر. لی می گوید:«شبیه سازی حالت ها گام مهمی است اما کارهای بیشتری برای تاثیر آن ها در اخترفیزیک لازم است.»

آزمایش در زمین

روی زمین تولید چنین میدان مغناطیسی بزرگی ناممکن است، زیرا در شیمی مولکول ها تغییرات بسیاری را ایجاد می کند. هلگاکر می گوید: «طول پیوند بین اتم ها می تواند 25% منقبض شود. در چنین شرایطی وسایل اندازه گیری دیگر کار نمی کنند.»

پیتر اسکملر[3] از موسسه فیزیک لیزر دانشگاه هامبورگ آلمان موافق است که تولید چنین میدان هایی روی زمین غیرممکن است اما پیشنهاد دیگری برای آزمودن تجربی این نوع پیوند دارد. اتم های ریدبرگ[4] اتم های بسیار برانگیخته ای هستند که می تواند به اندازه نقطه i باشند. به این دلیل که طول پیوند اتم های ریبرگ بسیار بلند است، برهمکنش کولنی بسیار کوچک است و اسکملر باور دارد که می توان از آن ها برای میدان های مغناطیسی با قدرت قابل مقایسه استفاده کرد.

منابع

·        Stars draw atoms closer together, Nature News, link

·        New chemical bonds possible in extreme magnetic fields, Physicsworld.com, link

مرجع

Molecule Formation in Ultrahigh Magnetic Fields Science 20 July 2012: 302-303. link