ثنائي الهيليوم

ثنائي الهيليوم هو جزيء يتكون من ذرتي هيليوم. أحد أنواع ثنائي الهيليوم هو جزيء فان دير فالس صيغته _He₂ ويتكون من ذرتي هيليوم . ^{[ 2 ]} يُعد هذا الجزيء الكيميائي أكبر جزيء ثنائي الذرة ، أي جزيء يتكون من ذرتين مرتبطتين معًا. الرابطة التي تربط هذا الثنائي ضعيفة للغاية لدرجة أنها تنكسر إذا دار الجزيء أو اهتز بشدة. ولا يمكن أن يوجد إلا في درجات حرارة منخفضة جدًا .

نوع آخر من ثنائي الهيليوم هو ذرتان من الهيليوم المثارتان مرتبطتان ببعضهما البعض. يُطلق على هذا الشكل اسم الإكسيمر ، وقد اكتُشف من طيف الهيليوم الذي احتوى على نطاقات رُصدت لأول مرة عام 1912. يُكتب على النحو التالي: He₂ _* ^، حيث تشير العلامة * إلى حالة مثارة، وهو أول جزيء ريدبيرغ معروف . ^{[ 3 ]}

توجد أيضاً عدة أيونات ثنائية الهيليوم ، تحمل شحنات صافية سالبة وواحدة وموجبة واثنين. كما يمكن حصر ذرتي هيليوم معاً دون ترابط داخل قفص الفوليرين .

استنادًا إلى نظرية المدارات الجزيئية ، لا يُفترض وجود جزيء الهيليوم الجزيئي (He2 ₎ ، ولا يمكن أن تتشكل رابطة كيميائية بين ذراته. مع ذلك، توجد قوى فان دير فالس بين ذرات الهيليوم، كما يتضح من وجود الهيليوم السائل ، وعند مسافة معينة بين الذرات، يفوق التجاذب التنافر. لذا، يمكن أن يوجد جزيء يتكون من ذرتي هيليوم مرتبطتين بقوة فان دير فالس. ^{[ 4 ]} وقد طُرح وجود هذا الجزيء في وقت مبكر من عام 1937. ^{[ 5 ]}

_{يُعدّ الهيليوم -2} (He2 ) أكبر جزيء معروف مكون من ذرتين في حالته الأرضية ، وذلك بسبب طول الرابطة الهائل فيه . ^{[ 4 ]} يتميز جزيء الهيليوم _-2 بمسافة فصل كبيرة بين ذراته تبلغ حوالي 5200 بيكومتر (52 أنغستروم ) . وهذه هي أكبر مسافة فصل لجزيء ثنائي الذرات دون إثارة دورانية اهتزازية إلكترونية . تبلغ طاقة الربط حوالي 1.3 ملي كلفن، أو ^10⁻⁷ إلكترون فولت ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} ، أو 1.1 × ^10⁻⁵ كيلو كالوري/مول. ^{[ 9 ]}   

يمكن تأيين ذرتي الهيليوم في ثنائي الذرات بواسطة فوتون واحد طاقته 63.86  إلكترون فولت. الآلية المقترحة لهذا التأيين المزدوج هي أن الفوتون يقذف إلكترونًا من إحدى الذرتين، ثم يصطدم هذا الإلكترون بذرة الهيليوم الأخرى ويؤينها أيضًا. ^{[ 10 ]} بعد ذلك، ينفجر ثنائي الذرات نتيجة تنافر أيوني الهيليوم ، اللذين يتحركان بنفس السرعة ولكن في اتجاهين متعاكسين. ^{[ 10 ]}

تم اقتراح جزيء ثنائي الهيليوم المرتبط بقوى فان دير فالس لأول مرة من قبل جون كلارك سلاتر في عام 1928. ^{[ 11 ]}

^{يمكن أن يتشكل ثنائي الهيليوم بكميات ضئيلة عندما يتمدد غاز الهيليوم ويبرد أثناء مروره عبر} فوهة في حزمة غازية. ^{[ 2 ]} النظير ^4He هو الوحيد القادر على تكوين جزيئات كهذه؛ أما ^{4He و 3} He و ³ He فلا وجود لهما، لعدم امتلاكهما حالة ارتباط مستقرة . ^{[ 6 ]} تبلغ كمية الثنائي المتشكل في الحزمة الغازية حوالي واحد بالمئة. ^{[ 10 ]}

^{أيون الهيليوم الثنائي} ₍ He²⁺ ⁾ هو أيون مرتبط برابطة نصف تساهمية . يمكن تكوينه في تفريغ كهربائي للهيليوم. يتحد مع الإلكترونات لتكوين جزيء إكسيمر _He²⁺ ( a³Σ + _u ) مُثار إلكترونيًا. ^{[ 12 ]} كلا الجزيئين أصغر حجمًا بكثير، مع مسافات بين الذرات أقرب إلى الحجم الطبيعي. يتفاعل _{He²⁺ مع النيتروجين} (N₂ ₎ ، والأرجون ⁽ Ar )، والزينون ⁽ Xe )، _{والأكسجين} ( O₂ ) ، وثاني أكسيد الكربون (CO₂ ₎ لتكوين كاتيونات وذرات هيليوم متعادلة. ^{[ 13 ]}

يُطلق ثنائي كاتيون الهيليوم _He₂²⁺ كمية كبيرة من الطاقة عند تفككه، تُقارب 835 كيلوجول/مول. ^{[ 14 ]} ومع ذلك، فإن ^حاجز طاقة يبلغ 138.91 كيلوجول ^/ مول يمنع التحلل الفوري. دُرِس هذا الأيون نظريًا بواسطة لينوس باولينغ عام 1933. ^{[ 15 ]} هذا الأيون متساوي الإلكترونات مع جزيء الهيدروجين. ^{[ 16 ] [ 17 ]} يُعد _He₂²⁺ أصغر جزيء ممكن يحمل شحنة موجبة مزدوجة. ويمكن الكشف عنه باستخدام مطياف الكتلة. ^{[ 14 ] [ 18 ]}  

يُعدّ ثنائي الهيليوم السالب He²⁻ _{حالةً شبه مستقرة} ^، وقد اكتشفه باي وكوجيولا وبيترسون عام 1984 بتمرير أيون ^He²⁺ _عبر بخار السيزيوم. [ ^{19 ] لاحقًا} ، أكّد إتش إتش ميشيلز وجوده نظريًا، وخلص إلى أن حالة 4Πg لأيون He²⁻ ^مرتبطة _{بالنسبة لحالة} a²Σ⁺u ^لأيون _He² . _[ ^{20 ] تبلغ} الألفة الإلكترونية المحسوبة 0.233 إلكترون فولت ، مقارنةً بـ 0.077 إلكترون فولت ^لأيون He⁻ [ ^⁴P∘ ]. يتحلل He²⁻ ^عبر _مُكوّن 5/2g طويل العمر بزمن تحلل τ~350 ^{ميكروثانية ،} ومُكوّني 3/2g و 1 / ² g قصيري العمر بزمن تحلل τ~10 ميكروثانية. تتميز الحالة ⁴ Π _g بتوزيع إلكتروني 1σ ² _g 1σ _u 2σ _g 2π _u ، وقيمة ألفة الإلكترون E لها هي 0.18±0.03 إلكترون فولت، وعمرها 135±15 ميكروثانية؛ الحالة الاهتزازية v=0 هي المسؤولة فقط عن هذه الحالة طويلة الأمد. ^{[ 21 ]}      

يوجد أيون الهيليوم الجزيئي السالب أيضًا في الهيليوم السائل المُثار بواسطة إلكترونات ذات مستوى طاقة أعلى من 22  إلكترون فولت. يحدث هذا أولًا باختراق الهيليوم السائل، مستهلكًا طاقة قدرها 1.2  إلكترون فولت، ثم إثارة إلكترون ذرة الهيليوم إلى مستوى ^3P ، مستهلكًا طاقة قدرها 19.8 إلكترون فولت. بعد ذلك ^،  يمكن للإلكترون أن يتحد مع ذرة هيليوم أخرى وذرة الهيليوم المُثارة لتكوين أيون الهيليوم السالب He²⁻ _. ^{يتنافر أيون الهيليوم} _{السالب He²⁻} مع ذرات الهيليوم، ولذلك توجد حوله فراغات. لذا، يميل إلى الهجرة نحو سطح الهيليوم السائل. ^{[ 22 ]}

في ذرة الهيليوم العادية، يوجد إلكترونان في المدار 1s. ولكن، بإضافة طاقة كافية، يمكن رفع أحد الإلكترونات إلى مستوى طاقة أعلى. يصبح هذا الإلكترون ذو الطاقة العالية إلكترون تكافؤ، بينما يبقى الإلكترون في المدار 1s إلكترونًا داخليًا. يمكن لذرتي هيليوم مثارتين تكوين رابطة تساهمية، مُكَوِّنتين جزيئًا يُسمى ثنائي الهيليوم ، والذي يدوم لفترة تتراوح من ميكروثانية إلى ثانية تقريبًا. ^{[ 3 ]} (يمكن لذرات الهيليوم المثارة في الحالة 2 ³ S أن تدوم لمدة تصل إلى ساعة، وتتفاعل مثل ذرات الفلزات القلوية . ^{[ 23 ]} )

ظهرت أولى الدلائل على وجود ثنائي الهيليوم عام 1900 عندما رصد دبليو. هيوز طيفًا نطاقيًا في تفريغ الهيليوم. مع ذلك، لم تُنشر أي معلومات حول طبيعة هذا الطيف. وفي عام 1913، نشر كلٌ من إي. غولدشتاين من ألمانيا و دبليو إي كورتيس من لندن، بشكل مستقل، تفاصيل الطيف. ^{[ 24 ] [ 25 ]} استُدعي كورتيس للخدمة العسكرية في الحرب العالمية الأولى، وواصل ألفريد فاولر دراسة الطيف . أدرك فاولر أن النطاقات ذات الرأسين تنقسم إلى سلسلتين مماثلتين للسلسلتين الرئيسية والمنتشرة في أطياف الخطوط. ^{[ 26 ]}

يُظهر طيف نطاق الانبعاث عددًا من النطاقات التي تتلاشى باتجاه اللون الأحمر، ما يعني أن الخطوط تصبح أرقّ ويضعف الطيف باتجاه الأطوال الموجية الأطول. نطاق واحد فقط ذو رأس أخضر عند 5732  أنغستروم يتلاشى باتجاه اللون البنفسجي. توجد رؤوس نطاقات قوية أخرى عند 6400 (أحمر)، و4649، و4626، و4546، و4157.8، و3777، و3677، و3665، و3356.5، و3348.5  أنغستروم. كما توجد بعض النطاقات عديمة الرأس وخطوط إضافية في الطيف. ^{[ 24 ]} توجد نطاقات ضعيفة برؤوس عند 5133 و5108 أنغستروم. ^{[ 26 ]}

إذا كان إلكترون التكافؤ في مدار 2s 3s أو 3d، ينتج عنه حالة ¹ Σ _u ؛ وإذا كان في مدار 2p 3p أو 4p، ينتج عنه حالة ¹ Σ _g . ^{[ 27 ]} الحالة الأرضية هي X ¹ Σ _g ⁺ . ^{[ 28 ]}

تُسمى أدنى ثلاث حالات ثلاثية لذرة الهيليوم (He₂ ) _{بالرموز a³Σu و} ^b³Πg و ^c³Σg . _[ 29 ^{] تتميز الحالة a³Σu} ، ^التي لا _يوجد بها اهتزاز ( v = 0) ، بعمر شبه مستقر طويل يبلغ 18 ثانية، وهو أطول بكثير من عمر الحالات الأخرى أو حالات الإكسيمر في الغازات الخاملة. ^{[ 3 ]} يُعزى ذلك إلى أن الحالة a³Σu لا تمتلك زخمًا زاويًا مداريًا للإلكترون _{، حيث} ^أن جميع الإلكترونات موجودة في مدارات S لذرة الهيليوم. ^{[ 3 ]} 

تُعدّ الحالات المفردة الدنيا لذرة الهيليوم (He₂ ) هي A₁Σᵤ، وB₁Πᵣ ، وC₁Σᵣ. _[ 30 ^] _جزيئات الإكسيمر أصغر ^بكثير وأكثر _{ترابطًا من} ^{ثنائي الهيليوم المرتبط} بروابط فان دير فالس. تبلغ طاقة الربط في الحالة A₁Σᵤ حوالي 2.5 ^{إلكترون} فولت ^، مع مسافة فاصلة بين الذرات تبلغ 103.9 بيكومتر. أما الحالة ^C₁Σᵣ فتبلغ طاقة الربط فيها 0.643 إلكترون فولت، والمسافة الفاصلة بين الذرات 109.1 _{بيكومتر} . ^{[ 27 ]} تتميز هاتان الحالتان بنطاق تنافري للمسافات يصل إلى ذروته عند حوالي 300 بيكومتر، حيث يتعين على الذرات المثارة التغلب على حاجز طاقة عند اقترابها. ^{[ 27 ]} _{أما الحالة} المفردة ^A₁Σ⁺ᵤ _فهي غير مستقرة للغاية ، إذ لا ^يتجاوز عمرها بضعة نانوثوانٍ. ^{[ 31 ]}     

يحتوي طيف إكسيمر الهيليوم _-2 على نطاقات ناتجة عن عدد كبير من الخطوط الناتجة عن الانتقالات بين معدلات دوران وحالات اهتزازية مختلفة، بالإضافة إلى انتقالات إلكترونية متنوعة. يمكن تجميع هذه الخطوط في فروع P وQ وR. إلا أن مستويات الدوران ذات الأرقام الزوجية لا تحتوي على خطوط فرع Q، لأن كلا النواتين لهما عزم مغزلي صفري. وقد دُرست العديد من الحالات الإلكترونية للجزيء، بما في ذلك حالات ريدبيرغ التي يصل عدد أغلفة الإلكترونات فيها إلى 25. ^{[ 32 ]}

تُنتج مصابيح تفريغ الهيليوم إشعاعًا فوق بنفسجيًا فراغيًا من جزيئات الهيليوم. وعندما تصطدم بروتونات عالية الطاقة بغاز الهيليوم، فإنها تُنتج أيضًا انبعاثًا فوق بنفسجيًا عند حوالي 600 ^{أنغستروم}  نتيجة اضمحلال جزيئات الهيليوم المثارة ذات الاهتزاز العالي من _الحالة A1 Σu إلى الحالة الأرضية. ^{[ 33 ]} _{يُستخدم الإشعاع فوق البنفسجي الناتج عن جزيئات الهيليوم المثارة في كاشف التأين بالتفريغ النبضي (PDHID) ،} القادر على كشف محتويات الغازات المختلطة بمستويات أقل من أجزاء في المليار. ^{[ 34 ]}

يُعد طيف هوبفيلد المتصل ( المسمى على اسم جيه جيه هوبفيلد ) نطاقًا من الأشعة فوق البنفسجية  يتراوح طول موجته بين 600 و 1000 أنجستروم، ويتكون من التفكك الضوئي لجزيئات الهيليوم. ^{[ 33 ]}

تتمثل إحدى آليات تكوين جزيئات الهيليوم في أن ذرة هيليوم تُثار أولًا بإلكترون واحد في المدار 2 ¹ S. تلتقي هذه الذرة المثارة بذرتي هيليوم أخريين غير مثارتين في رابطة ثلاثية الأجسام، وتتفاعل لتكوين جزيء من الحالة A ¹ Σ _u ذي اهتزاز أقصى وذرة هيليوم. ^{[ 33 ]}

يمكن تكوين جزيئات الهيليوم في الحالة الخماسية ⁵ Σ ⁺ _g من خلال تفاعل ذرتي هيليوم مستقطبتين مغزليًا في حالتي He(2 ³ S ₁ ). يمتلك هذا الجزيء مستوى طاقة عاليًا يبلغ 20  إلكترون فولت. أعلى مستوى اهتزاز مسموح به هو v=14. ^{[ 35 ]}

في الهيليوم السائل، يُشكّل الإكسيمر فقاعة مذيبة. في الحالة ^3d ، تُحاط جزيئة He ^* ₂  بفقاعة نصف قطرها 12.7 أنغستروم عند الضغط الجوي . وعند زيادة الضغط إلى 24 ضغطًا جويًا، يتقلص نصف قطر الفقاعة إلى 10.8  أنغستروم. ويؤدي هذا التغير في حجم الفقاعة إلى انزياح في نطاقات التألق. ^{[ 36 ]}

في المجالات المغناطيسية القوية جدًا (حوالي 750,000 تسلا) ودرجات الحرارة المنخفضة، تتجاذب ذرات الهيليوم، بل ويمكنها أن تُشكّل سلاسل خطية. قد يحدث هذا في الأقزام البيضاء والنجوم النيوترونية . ^{[ 37 ]} يزداد كل من طول الرابطة وطاقة التفكك مع ازدياد المجال المغناطيسي. ^{[ 38 ]}

يُعد ثنائي الهيليوم الإكسيمر مكونًا مهمًا في مصباح تفريغ الهيليوم.

يُستخدم أيون ثنائي الهيليوم أيضًا في تقنيات التأين المحيطي باستخدام بلازما منخفضة الحرارة. في هذه التقنية، تُثار ذرات الهيليوم، ثم تتحد لتكوين أيون ثنائي الهيليوم. يتفاعل أيون He²⁺ مع النيتروجين (N₂ ⁾ _{في الهواء} لتكوين ^أيون _N²⁺ . تتفاعل هذه الأيونات مع سطح العينة لتكوين أيونات موجبة تُستخدم في مطياف الكتلة . يمكن أن تصل درجة حرارة البلازما التي تحتوي على ثنائي الهيليوم إلى 30 درجة مئوية، مما يقلل من تلف العينات الناتج عن الحرارة. ^{[ 39 ]} 

^{لقد ثبت أن} He ₂ يشكل مركبات فان دير فالس مع ذرات أخرى تشكل تجمعات أكبر مثل ²⁴ MgHe ₂ و ⁴⁰ CaHe _2. ^{[ 40} ]

من المتوقع أن يكون لثلاثي الهيليوم -4 ( ^4He3 )، وهو عبارة _عن عنقود من ثلاث ذرات هيليوم، حالة مثارة تُعرف بحالة إيفيموف . ^{[ 41 ] [ 42 ]} وقد تم تأكيد ذلك تجريبياً في عام 2015. ^{[ 43 ]}

يمكن لذرتي هيليوم أن تتسع داخل جزيئات الفوليرين الأكبر حجمًا، بما في ذلك C70 و C84 . ويمكن الكشف عن ذلك من خلال الرنين المغناطيسي النووي لنظير ^{الهيليوم-3} _{، الذي} يُظهر انزياحًا طفيفًا، وباستخدام مطياف الكتلة. قد يحتوي C84 _، المحتوي على الهيليوم، على نسبة 20% من He2 _@ C84 _، بينما يحتوي _C78 على 10% و _C76 على 8%. من المرجح أن تستوعب التجاويف الأكبر عددًا أكبر من الذرات. ^{[ 44 ]} حتى عندما توضع ذرتا الهيليوم متقاربتين في قفص صغير، لا توجد رابطة كيميائية بينهما. ^{[ 45 ] [ 46 ]} من المتوقع أن يكون لوجود ذرتي هيليوم في قفص فوليرين C60 _تأثير طفيف فقط على تفاعلية الفوليرين. ^{[ 47 ]} يتمثل التأثير في سحب الإلكترونات من ذرات الهيليوم الداخلية، مما يمنحها شحنة جزئية موجبة طفيفة لإنتاج _He2δ ⁺ ، الذي يتميز برابطة أقوى من ذرات الهيليوم غير المشحونة. ^{[ 48 ]} ومع ذلك، وفقًا لتعريف لودين، توجد رابطة. ^{[ 49 ]}

تفصل بين ذرتي الهيليوم داخل قفص الكربون C60 _مسافة  1.979 أنغستروم، والمسافة بين ذرة الهيليوم وقفص الكربون 2.507  أنغستروم. ينتج عن انتقال الشحنة 0.011 وحدة شحنة إلكترونية لكل ذرة هيليوم. يجب أن يكون هناك ما لا يقل عن 10 مستويات اهتزازية لزوج ذرتي الهيليوم. ^{[ 49 ]}

• "ثنائي الهيليوم" . نيست. نوفمبر 1976.
• يانكه، ت. (28 أبريل 2015). "التحلل الكولومبي بين الذرات والجزيئات: قصة النضج". مجلة الفيزياء ب: الفيزياء الذرية والجزيئية والبصرية . 48 (8) 082001. رمز Bibcode : 2015JPhB...48h2001J . doi : 10.1088/0953-4075/48/8/082001 . S2CID 56093209 . 
• سبريتشر، د.؛ ليو، ج.؛ كراهينمان، ت.؛ شيفر، م.؛ ميركت، ف. (14 فبراير 2014). "مطيافية عالية الدقة ونموذج عيب كمي لحالتي ريدبيرغ الثلاثيتين np و nf لذرة الهيليوم ₂ " . مجلة الفيزياء الكيميائية . 140 (6): 064304. Bibcode : 2014JChPh.140f4304S . doi : 10.1063/1.4864002 . hdl : 20.500.11850/81379 . PMID: 24527912 . طيف الهيليوم ₂