Новый метод высокотемпературной газовой электронографии

Развитие экспериментальной физики позволило определить, как расположены в молекуах друг относительно друга основные структурные единицы: тяжелые атомные ядра и связывающие их электроны. Одну из наиболее удобных возможностей измерения расстояния между ядрами молекулы дает взаимодействие исследуемых молекул с потоком электронов — тонким электронным лучом.

Развитие экспериментальной физики позволило определить, как расположены в молекуах друг относительно друга основные структурные единицы: тяжелые атомные ядра и связывающие их электроны. Одну из наиболее удобных возможностей измерения расстояния между ядрами молекулы дает взаимодействие исследуемых молекул с потоком электронов — тонким электронным лучом.

Проходя через небольшой объем вещества, часть электронов в результате столкновений с молекулами рассеивается под разными углами. Если на некотором расстоянии от точки рассеяния поместить фотографическую пластинку, то она зарегистрирует эти электроны — дифракционную картину рассеяния. Дифракционная картина представляет собой совокупность концентрических размытых колец, радиусы и яркость которых зависят от расстояний между ядрами молекул. Поэтому, измеряя, какая часть электронов попадает в разные точки фотопластинки, можно рассчитывать величины межъядерных расстояний, т. е. определить структуру молекулы.

структуры

Эта экспериментальная техника — газовая электронография — широко использовалась и используется в настоящее время при изучении строения молекул химических соединений, испаряющихся при комнатной или близкой к ней температуре. Однако применять ее для изучения молекулярных компонентов высокотемпературного пара с температурой в несколько сотен или тысяч градусов долгое время не удавалось.

В 1954 г. в Советском Союзе были начаты работы в области высокотемпературной газовой электронографии, т. е. по использованию рассеяния электронов для определения строения молекул в паре при высоких температурах. Предстояло   решить  целый  ряд  очень сложных проблем. Можно упомянуть только самые основные   из   них. Не   очень просто сконструировать устройство, которое позволило бы нагреть и получить струю пара с температурой от комнатной до 2500°С. Но еще гораздо труднее разработать испаритель, который не возмущает при этом своими электрическими и магнитными полями электронный луч, зондирующий исследуемое вещество. Большой проблемой оказалась регистрация рассеянных  электронов в условиях, когда раскаленные детали  испарителя  ярко освещают фотопластинку. Тем не менее все экспериментальные трудности удалось преодолеть, была изготовлена исследовательская аппаратура, что дало возможность начать на химическом факультете МГУ, а потом и в Институте высоких температур АН СССР систематические исследования строения молекул неорганических соединений.

Эти исследования совместно с изучением высокотемпературного пара другими физическими методами (спектроскопическим, масс-спектрометрическим и т. д.) фактически открыли новую страницу физики молекул и физической химии. Оказалось, что в паре при высоких температурах существуют совершенно необычные с точки зрения общепринятых представлений молекулы с фантастическими, странными свойствами. Так, на-пример, при испарении обычной поваренной соли образуются не только молекулы NaCl, нo удвоенные (NaCl)2 и утроенные (NaCl)3 агрегаты. В ларе над комплексным соединением NaF×AlF3 существуют молекулы NaAlF4, Na2AlF5, Na2Al2F8. Широко использующаяся химиками пятиокись фосфора существует в паре  в виде  компактных  полициклических молекул Р4О10. Для молекул трехокиси молибдена и трибромида рения характерна одинаковая степень ассоциации — образования тримерных молекул. Тем не менее структуры (МоО3)3 и (ReBr3) резко отличаются друг от друга. Список этих необычных молекул можно было бы значительно расширить, потому что, начиная с 1954 по 1972 г., в результате исследований, проводившихся в Институте высоких температур АН СССР и на химическом факультете МГУ, была определена структура более 130 неорганических молекул.

 

электронограф

Электронограф ЭЛПРИМ

За разработку нового метода высокотемпературной газовой электронографии и использование его для изучения строения неорганических молекул при температурах до 2500°С группе советских исследователей — Н. Г. Рамбиди, Ю. С. Ежову, П. А. Акишину, Е. 3. Засорину, В. П. Спиридонову, М. И. Виноградову — присуждена Государственная премия СССР 1973 г. в области науки.

Эта работа представляет одно из направлений широкого фронта высокотемпературных исследований, которые ведутся в Советском Союзе. Именно они определили успехи советских ученых и конструкторов в разработке новых высокотемпературных процессов и аппаратов. Так совокупность исследований на молекулярном уровне, проводимых в Институте высоких температур АН СССР и в координируемых им научно-исследовательских учреждениях, легла в основу фундаментального справочного издания «Термодинамические свойства индивидуальных веществ». Эти же исследования в сочетании с изучением теплофизических свойств твердых, жидких и газообразных веществ, процессов массо-теплообмена позволили создать уникальные энергетические установки большой мощности, использующие магнитогидродина-мический метод преобразования тепловой энергии в электрическую. В настоящее время ведутся интенсивные работы по внедрению новых, экономически эффективных высокотемпературных процессов во многих, казалось бы, давно устоявшихся областях — энергетике, производстве оптических оред, химической промышленности и т. д.

Наука и человечество. 1975. Сборник - М.: Знание, 1974.