Ученые застали водород за туннелированием на поверхности льда

Различные механизмы туннельной поверхностной диффузии, наблюдаемые авторами. В верхнем случае предполагается наличие небольшого количества атомов водорода на поверхности и скоростьлимитирующей стадией являются тепловые скачки атомов. В нижнем предполагается система, в которой на поверхности адсорбировано много атомов водорода и скорость диффузии и формирования водорода определяется процессами туннелирования.

Изображение:Kuwahata, et al./ PRL, 2015

Физики из Университета Хоккайдо впервые наблюдали туннелирование атомов водорода на поверхности льда. Как утверждают авторы, этот процесс является новым механизмом для поверхностной диффузии — процесса перемещения адсорбированных молекул вдоль границ различных материалов. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.

Ученые анализировали процессы диффузии, происходящие на поверхности водного льда при температурах менее 20 кельвинов. Поскольку увидеть процесс туннелирования напрямую практически невозможно исследователи прибегли к другому подходу. В нем они сравнивали две скорости диффузии: для атомарного водорода и дейтерия — тяжелого изотопа водорода, содержащего в своем ядре помимо одного протона еще и нейтрон. 

Поскольку разница в массах между водородом и дейтерием велика (они отличаются в два раза), она значительно сказывается на их относительные скорости диффузии — чем легче частица, тем быстрее она может перемещаться по анализируемой поверхности. Существующие теоретические модели для обыкновенной поверхностной диффузии предсказывают различие примерно в 4,5 раза. Однако авторы работы обнаружили, что в реальности атомарный водород оказывается в 100 раз подвижнее дейтерия. 

По словам физиков, главным образом это наблюдение можно объяснить, предположив что водород способен туннелировать под энергетическими барьерами, то есть не обладая достаточной энергией проходить препятствие насквозь. Причем, на поверхности хорошо ориентированного (поликристаллического) льда эффект туннелирования выражен сильнее, чем на поверхности аморфного льда. 

Авторы работы надеются, что она прольет свет на формирование молекул водорода. Поверхностная диффузия является ответственной за образование молекулярного водорода, а новая работа использует условия, близкие к реальным условиям открытого коcмоса. В будущем физики надеются увидеть туннелирование не только у таких легких ядер, как изотопов водорода, но и у серии более тяжелых элементов.

Процесс диффузии газов представляет собой перенос вещества из одной части пространства в другую. Существуют два основных ее механизма — объемная диффузия сквозь толщу вещества и поверхностная диффузия, предполагающая движение в приповерхностном слое от барьера к барьеру. Последняя из них предполагает перескакивание атомов от одного центра связывания к другому. 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.