Trong từ trường cực mạnh của các sao lùn trắng và sao neutron, một loại liên kết hóa học thứ ba có thể xảy ra. Đó là kết quả của các nhà hóa học lí thuyết ở Na Uy, họ đã sử dụng các mô phỏng trên máy tính chứng minh rằng những phân tử cho đến nay chưa được tìm thấy có thể hình thành trong những từ trường cao hơn nhiều so với những từ trường được tạo ra trên Trái đất này.
Học sinh ngành hóa được học rằng có hai loại liên kết hóa học – liên kết ion, trong đó một nguyên tử nhường một electron cho một nguyên tử khác; và liên kết cộng hóa trị, trong đó các electron được dùng chung. Thật vậy, các liên kết hóa học trên thực tế thường rơi vào đâu đó ở giữa hai loại.
Khi hai nguyên tử tiến đến nhau, orbital nguyên tử của chúng hợp nhất thành orbital phân tử. Với mỗi hai orbital nguyên tử kết hợp thì có hai orbital phân tử hình thành. Một trong hai orbital này có năng lượng thấp hơn năng lượng của orbital nguyên tử thấp và được gọi là orbital liên kết. Còn orbital “chống liên kết” kia thì có năng lượng cao hơn năng lượng của orbital nguyên tử cao. Các nguyên tử đó thật sự có liên kết hay không được xác định bởi tổng năng lượng của các electron trong những orbital phân tử có thấp hơn tổng năng lượng của các electron trong các orbital nguyên tử ban đầu hay không. Nếu thấp hơn thì sự hình thành liên kết sẽ ưu tiên về mặt năng lượng và liên kết đó sẽ hình thành.
Các phân tử helium có thể hình thành trong những từ trường rất cao hay không? (Ảnh: NASA)
Liên kết và chống liên kết
Nguyên lí loại trừ Pauli cấm mỗi orbital chứa nhiều hơn hai electron (nó có thể chứa hai electron nếu chúng có spin ngược nhau). Nếu orbital nguyên tử của mỗi nguyên tử chứa đúng một electron, thì cả hai electron có thể đi vào orbital liên kết khi các orbital kết hợp. Do đó, cả hai electron bị giảm năng lượng và sự hình thành liên kết thuận lợi về mặt năng lượng. Nhưng nếu các orbital nguyên tử đó có mỗi orbital chứa hai electron, thì hai trong bốn electron sẽ phải đi vào orbital phân tử chống liên kết. Tóm lại, như vậy hai electron sẽ có năng lượng giảm bằng cách hình thành liên kết, còn hai electron sẽ có năng lượng tăng lên.
Dưới những điều kiện bình thường, orbital chống liên kết luôn luôn tăng năng lượng vượt xa năng lượng của orbital nguyên tử năng lượng cao nhiều hơn orbital liên kết giảm năng lượng dưới năng lượng của orbital nguyên tử thấp. Điều này có nghĩa là một liên kết hóa học có đủ orbital liên kết và orbital chống liên kết của nó sẽ luôn luôn có năng lượng cao hơn những orbital nguyên tử từ đó nó hình thành. Một liên kết như thế, do đó, sẽ không hình thành. Đây là nguyên do vì sao các nguyên tử khí trơ, chúng có các orbital nguyên tử lớp ngoài đầy đủ, hầu như không bao giờ hình thành nên phân tử trên Trái đất.
Nhưng nay Kai Lange và các đồng sự tại trường đại học Oslo ở Na Uy vừa sử dụng một chương trình máy tính do nhóm của họ phát triển, gọi là LONDON, để chứng minh rằng điều này không phải lúc nào cũng đúng. LONDON đã tạo ra các mô hình toán học của các orbital phân tử dưới sự ảnh hưởng của những từ trường khoảng 105 T. Giá trị này mạnh hơn nhiều so với những trường 30 – 40 T có thể được tạo ra trong các phòng thí nghiệm và có ảnh hưởng nhỏ đối với các liên kết hóa học.
Thay đổi quy tắc
Những từ trường lớn có thể liên quan đến những ai đang nghiên cứu các vật thể thiên văn như sao lùn trắng – nơi từ trường có thể đạt tới 105 T – và sao neutron, nơi từ trường có thể cao tới 1010 T. Dưới những điều kiện như vậy, đội khoa học chứng minh rằng các quy tắc liên kết phải thay đổi. Đặc biệt, orbital chống liên kết giảm năng lượng khi một phân tử lưỡng nguyên tử chịu tác dụng của một từ trường mạnh đặt vuông góc. Các phân tử có đủ orbital liên kết và chống liên kết, ví dụ như helium lưỡng nguyên tử, vẫn có thể được ưu tiên về mặt năng lượng.
Người đứng đầu nhóm Trygve Helgaker giải thích rằng tính phức tạp của LONDON đã cho phép nhóm ông tiến hành những tính toán mà những nhóm khác tìm thấy là không thể. “Chúng tôi có thể thực hiện những phép tính chính xác với mọi định hướng của các phân tử trong từ trường,” ông nói. “Người ta đã làm những phép tính cấu trúc điện tử như vậy trước đây rồi, nhưng tôi tin rằng các phép tính của họ bị hạn chế với tình huống trong đó từ trường song song với trục phân tử.”
Nghiên cứu công bố trên tạp chí Science; trong một bài bình luận đi kèm, Peter Schmelcher thuộc Viện Vật lí Laser tại trường Đại học Hamburg, Đức, cho biết “Các nguyên tử, phân tử và các hệ vật chất ngưng tụ đặt trong từ trường mạnh là một chủ đề nghiên cứu hấp dẫn, và công trình này bổ sung thêm một cơ chế liên kết quan trọng.” Điều thú vị là trong khi ông tán thành rằng từ trường có mặt xung quanh một sao lùn trắng sẽ không thể đạt được trong một phòng thí nghiệm nào đó trong tương lai trước mắt, nhưng ông xem phương án các mô hình của nhóm nghiên cứu là có thể kiểm tra trên thực nghiệm. Các nguyên tử Rydberg là những nguyên tử bị kích thích cao có thể có kích cỡ bằng dấu chấm trên đầu chữ “i”. Vì chiều dài liên kết của các nguyên tử Rydberg là lớn, nên tương tác Coulomb nhỏ hơn nhiều, và Schmelcher tin rằng, do đó, người ta có thể sử dụng chúng để tạo ra từ trường có độ lớn sánh với độ lớn nêu trong nghiên cứu trên.
123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: physicsworld.com
