Jak powstają orbitale? Ważny jest jeden, pomijany wcześniej szczegół

Niemieccy naukowcy odkryli nową zasadę mówiącą, jak tworzą się orbitale w reakcjach chemicznych. 
Doświadczalny rozkład pędu fotoelektronów z czystej miedzi i z cząsteczek 5P zaadsorbowanych na miedzi (po lewej) oraz teoretyczny rozkład pędu z cząsteczek wolnych i zaadsorbowanych na miedzi (po prawej)
Doświadczalny rozkład pędu fotoelektronów z czystej miedzi i z cząsteczek 5P zaadsorbowanych na miedzi (po lewej) oraz teoretyczny rozkład pędu z cząsteczek wolnych i zaadsorbowanych na miedzi (po prawej)

Orbitale pokazują, gdzie i jak poruszają się elektrony wokół jąder atomowych. Mają one ogromne do przewidywania reakcji chemicznych i mechaniki kwantowej. Okazuje się, że można je połączyć tylko wtedy, gdy pasują do siebie przestrzennie i energetycznie. Zespół uczonych z Forschungszentrum Jülich, centrum naukowo-badawczego w pobliżu niemieckiego miasta Jülich, odkrył, że musi być spełniony jeszcze jeden warunek. Opisano go w Nature Communications.

Jak łączą się orbitale elektronowe?

Każda reakcja chemiczna to – w dużym uproszczeniu – nic innego jak rozpad i tworzenie wiązań elektronowych, które można również opisać jako orbitale. Teoria orbitali molekularnych (MO) mówi, że zachowanie elektronów w cząsteczce można opisać przez orbitale molekularne, co wskazuje też na kierunek reakcji chemicznej. 

Czytaj też: Fizyka kwantowa – siedem faktów, które warto znać

Za pracę dotyczącą roli orbitali frontalnych w reakcjach chemicznych, Ken’ichi Fukui otrzymał w 1981 r. Nagrodę Nobla, pierwszą wręczoną Japończykowi. W szczególności chodziło o kwestię dzielenia luźno powiązanych elektronów zajmujących cząsteczkowe orbitale frontalne nazwane HOMO (najwyższy zajęty orbital cząsteczkowy) i LUMO (najniższy niezajęty orbital cząsteczkowy).

Zazwyczaj analizuje się energię i położenie elektronów. Jednak przy użyciu metody tomografii fotoemisyjnej przyjrzeliśmy się rozkładowi pędu orbitali. dr Serguei Soubatch z Forschungszentrum Jülich

W serii eksperymentów naukowcy adsorbowali na powierzchniach metali różnego rodzaju cząsteczki i mapowali zmierzony moment pędu w tzw. przestrzeni pędu.

Fotoemisja z wielu różnych molekuł na metalach, którą mierzymy, może być również przewidywana teoretycznie. Jako model wykorzystuje się po prostu wolną molekułę, która nie oddziałuje z metalem. Ale kiedy mierzyliśmy oligofenyle na miedzi, nagle zdaliśmy sobie sprawę, że wynik eksperymentalny znacznie różni się od przewidywań teoretycznych. Pewne części przestrzeni pędowej pozostały nieobsadzone.dr Serguei Soubatch

Na potrzeby pracy przeprowadzono eksperymenty w synchrotronie Elettra w Trieście, gdzie Niemcy obsługują spektroskop NanoESCA, gdzie znajduje się fotoemisyjny mikroskop elektronowy do pomiarów tomograficznych orbitali.