II Carnaval de la Química: El hidrógeno artificial pone a prueba la teoría cuántica

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Hidrógeno normal, ligero y pesadoAnálogos ligeros y pesados del hidrógeno ponen a prueba los límites de la química cuántica. Los científicos han creado formas ultra-ligeras y ultra-pesadas del hidrógeno, y han investigado sus propiedades químicas.

Donald Fleming, químico de la Universidad de British Columbia en Vancouver, Canadá, y sus colegas, han generado dos análogos artificiales del hidrógeno: uno con una masa algo más de una décima parte la del hidrógeno común, y uno cuatro veces más pesado. Estos pseudo-hidrógenos contienen partículas sub-atómicas de vida corta conocidas como muones – versiones súper-pesadas del electrón.

Los investigadores comprobaron el comportamiento de estos nuevos átomos en una reacción química conocida como intercambio de hidrógeno, en la cual un átomo de hidrógeno despoja se une a otro para formar una molécula de hidrógeno de dos átomos – la reacción química más simple imaginable. En un artículo en Science1, informan de que los hidrógenos más y menos pesados se comportan justo como predice la teoría cuántica que deberían haberlo – lo cual es, por sí mismo, bastante sorprendente.

El experimento es una hazaña, dice Paul Percival, químico de muonio en la Universidad Simon Fraser en Burnaby, Canadá.

“Nunca intentaría una tarea tan difícil yo mismo”, comenta, “y cuando vi por primera vez la propuesta, tuve muchas dudas de que pudiera lograrse algo de valor de ese hercúleo esfuerzo. Don Fleming me demostró que yo estaba equivocado. Dudo que nadie más hubiese logrado esos resultados”.

Zoo de hidrógeno

Un átomo normal de hidrógeno contiene un único electrón cargado negativamente orbitando un núcleo creado por un único protón cargado positivamente. Aproximadamente el 0,015% del hidrógeno natural consiste en deuterio, un isótopo pesado, en el cual el núcleo contiene un protón y un neutrón con carga eléctrica neutra, y que tiene una masa del doble que el hidrógeno normal. Y hay un tercer isótopo con un protón y dos neutrones: el tritio, de tres veces la masa del hidrógeno, el cual se produce en cantidades rastreables gracias a los rayos cósmicos que interactúan con la atmósfera, pero es demasiado radiactivo para su uso en tales experimentos.

El comportamiento químico de los átomos depende del número de electrones más que de sus masas, por lo que los tres isótopos de hidrógeno son casi idénticos químicamente. Pero la mayor masa de los isótopos más pesados significa que vibran en distintas frecuencias, y la teoría cuántica sugiere que esto producirá una pequeña diferencia en los índices de sus reacciones químicas.

Para poner a prueba rigurosamente esta teoría, los isótopos de hidrógeno debían tener una mayor diferencia entre sus masas. Fleming y sus colegas creando algunos, usando muones producidos por las colisiones en el acelerador de partículas TRIUMF en Vancouver.

Los muones tienen muchas propiedades similares a los electrones, pero son más masivos. “Un muón es un electrón que ha crecido mucho – un electrón con esteroides – con una masa de aproximadamente 200 veces la del electrón”, dice Richard Zare, físico químico de la Universidad de Stanford en California. “Pero al contrario que los electrones libres, el muón libre decae, con un tiempo de vida medio de aproximadamente 2,2 microsegundos”. Esto significa que los investigadores tuvieron que trabajar rápido para estudiar su pseudo-hidrógeno.

Para hacer el isótopo ultra-ligero, cambiaron el protón por un muón cargado positivamente, que tiene apenas un 11% de la masa del protón. Y para crear el hidrógeno ultra-pesado, reemplazaron uno de los electrones de un átomo de helio con un muón negativo.

El helio tiene dos electrones, dos protones y dos neutrones. Pero dado que es más masivo que un electrón, el muón negativo orbita el núcleo mucho más de cerca, enmascarando la carga positiva de uno de los protones. En efecto, el átomo se convierte en un compuesto similar al hidrógeno: un ‘núcleo’ hecho de dos protones reales, los dos neutrones del núcleo y el muón, orbitados por el electrón restante. Tiene una masa de unas cuatro veces la del hidrógeno.

Fleming y sus colegas encontraron que las tasas de reacción para el intercambio de hidrógeno que implicaba a estos análogos calculadas mediante la teoría cuántica, estaban muy cerca de lo medido experimentalmente. “Esto nos da confianza para aplicar métodos teóricos similares a sistemas más complejos”, dice Fleming.

Acuerdo inesperado

El estrecho acuerdo entre experimento y teoría no era algo necesariamente esperado, dado que los cálculos teóricos usan una simplificación llamada aproximación de Born–Oppenheimer, que supone que el electrón adapta la trayectoria instantáneamente a cualquier movimiento en el núcleo. Esto es generalmente cierto para los electrones, que son casi 2000 veces más ligeros que los protones. Pero no era tan obvio que se mantuviera para los muones, que tienen una décima parte de la masa del protón.

“Al principio me sorprendió que los tratamientos teóricos se mantuvieran tan bien”, dice Zare. “La aproximación de Born–Oppenheimer está basada en la pequeña proporción de la masa del electrón respecto a la masa del núcleo. De pronto la masa del electrón se incrementa multiplicándola por 200 y todo parece ir bien”.

Debido a que el muón tiene un tiempo de vida tan corto, extender tales estudios a sistemas químicos más complejos es un reto. Pero Fleming y sus colegas se proponen ahora observar la reacción de intercambio de hidrógeno entre el ‘hidrógeno’ súper-pesado y el metano (CH4).


Referencias:
1. Fleming, D. G. et al. Science 331, 448-450 (2011).

Autor: Philip Ball
Fecha Original: 27 de enero de 2011
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