پدیده‌ی “اکسیژن آبی” و طیف‌سنجی دقیق آن در دمای بحرانی

پدیده‌ی “اکسیژن آبی” و طیف‌سنجی دقیق آن در دمای بحرانی

اکسیژن مایع (Liquid Oxygen – LOX): اکسیژن خالص در دمای بسیار پایین (زیر -183درجه سانتی گراد  یا 90.19کلوین) به مایع تبدیل می‌شود و رنگ آبی کم‌رنگی دارد. این رنگ ناشی از جذب ضعیف نور در ناحیه قرمز طیف مرئی توسط مولکول‌های اکسیژن (O2​) دو اتمی است.

اکسیژن در حالت‌های فشار بالا یا حالات ماده عجیب: در دماها و فشارهای بسیار بالا، اکسیژن می‌تواند حالت‌های ماده‌ای غیرمعمول (مانند اکسیژن فلزی یا ابررسانا) را به نمایش بگذارد که اغلب با تغییرات شدید در ویژگی‌های الکترونی و طیفی همراه هستند.

برای کسب اطلاعات بیشتر کلیک کنید

ویژگی‌های طیفی و الکترونی در دماهای بحرانی

وقتی صحبت از دماهای بحرانی می‌شود، معمولاً منظور دانشمندان فیزیک ماده چگال یا شیمی فیزیک، دماهایی است که در آن‌ها گذار فاز رخ می‌دهد یا پدیده‌های کوانتومی بارز می‌شوند، مانند:

    ویژگی‌های طیفی (Spectroscopic Features):

جذب نوری: در فاز مایع، جذب در محدوده مرئی (آبی بودن) ناشی از انتقال‌های الکترونی بین حالت‌های مولکولی اکسیژن است. در دماهای پایین‌تر و فشارهای بالاتر، این جذب می‌تواند تغییر کند و منجر به رنگ‌های عمیق‌تر یا تغییر رنگ شود.

طیف رامان (Raman Spectroscopy): این طیف برای مطالعه ارتعاشات مولکولی (O2) بسیار مهم است. در دماهای پایین، انرژی ارتعاشی کاهش می‌یابد. در فشارهای بالا، پیوند اکسیژن فشرده شده و فرکانس ارتعاش تغییر می‌کند که یک نشانه مهم برای پیش‌بینی گذار به حالت‌های فلزی یا ابررسانا است.

    ویژگی‌های الکترونی (Electronic Features):

دایامغناطیسی/پارامغناطیسی: مولکول اکسیژن (O2​) در حالت پایه به دلیل داشتن دو الکترون بدون جفت، پارامغناطیس است. این ویژگی در دماهای پایین و در فاز مایع حفظ می‌شود.

رسانایی و ابررسانایی: در فشارهای بسیار بالا (در حدود 96 گیگا پاسکال) و دماهای نسبتاً بالا (بالای 100 کلوین)، تحقیقات نشان داده‌اند که هیدروژن سولفید (H2S) ابررسانا است. اکسیژن خالص در فشارهای بالاتر به شدت تحت مطالعه قرار دارد تا مشخص شود آیا می‌تواند خاصیت ابررسانایی دمای بالا را نشان دهد یا خیر؛ این امر مستلزم تغییرات بنیادین در ساختار الکترونی و برهم‌کنش الکترون-فونون است.

    رنگ آبی اکسیژن مایع:

چرا آبی است؟ اکسیژن در شرایط عادی گازی بی‌رنگ است. اما وقتی به حالت مایع در می‌آید (در دمای −183 درجه سانتی‌گراد یا پایین‌تر)، رنگ آبی کم‌رنگی پیدا می‌کند. این رنگ به دلیل جذب ضعیف نور در ناحیه قرمز و زرد طیف مرئی توسط مولکول‌های O2​ است. در واقع، الکترون‌های مولکول اکسیژن در حالت پایه، در اوربیتال‌های ضد پیوندی (π∗) خود قرار دارند. این اوربیتال‌ها تا حدی پر شده‌اند. وقتی نور به اکسیژن مایع می‌تابد، فوتون‌های قرمز و زرد انرژی کافی برای برانگیختن این الکترون‌ها به اوربیتال‌های بالاتر را دارند، بنابراین این نور جذب می‌شود. نوری که جذب نمی‌شود (نور آبی و سبز) از ماده عبور کرده یا پراکنده می‌شود و باعث می‌شود ما آن را آبی ببینیم.

فاکتورهای مؤثر بر رنگ: شدت این رنگ آبی به غلظت اکسیژن و طول مسیر نوری بستگی دارد. در اکسیژن مایع، غلظت بالا است و طول مسیر نوری (بسته به حجم ظرف) باعث می‌شود این جذب ضعیف نیز قابل مشاهده باشد.

    فازهای ماده اکسیژن در دماها و فشارهای بالا (مفهوم دماهای بحرانی):

دما و فشار بحرانی: در نمودار فازی یک ماده، نقطه بحرانی دمایی است که بالاتر از آن، ماده نمی‌تواند به حالت مایع درآید، صرف نظر از اینکه چه فشاری اعمال شود. در این نقطه، خواص مایع و گاز به هم نزدیک و در نهایت یکسان می‌شوند. برای اکسیژن، نقطه بحرانی در دمای حدود 154.6کلوین (−118.6 درجه سانتی گراد) و فشار 5.04 مگا پاسکال ( MPa) قرار دارد.

حالات ماده عجیب: در دماهای بالاتر از دمای معمولی (حتی در فشار اتمسفر)، اکسیژن همچنان گازی است. اما با افزایش شدید فشار (در حد گیگا پاسکال)، مولکول‌های اکسیژن به هم نزدیک‌تر شده و رفتارشان تغییر می‌کند. دانشمندان در حال تحقیق بر روی این فازهای فشار بالا هستند، زیرا ممکن است خواص الکترونی و مغناطیسی غیرمنتظره‌ای داشته باشند.

ایمنی کار با اکسیژن خلوص بالا

ویژگی‌های طیفی و الکترونی در دماهای بحرانی و فشارهای بالا:

    ویژگی‌های طیفی:

جذب نوری: همانطور که گفته شد، رنگ آبی اکسیژن مایع به دلیل جذب نوری است. در فشارهای بسیار بالا، مطالعات طیف‌سنجی نشان داده‌اند که جذب نوری اکسیژن تغییر می‌کند. برای مثال، در فشارهای بالای 100 گیگا پاسکال، اکسیژن شروع به جذب نور در ناحیه سبز و حتی فراتر از آن (به سمت طول موج‌های کوتاه‌تر) می‌کند، که باعث می‌شود رنگ آن از آبی به قرمز یا حتی سیاه متمایل شود. این نشان‌دهنده تغییر در سطوح انرژی الکترونی است.

طیف‌سنجی رامان: این روش برای درک ساختار مولکولی و ارتعاشات مولکول اکسیژن حیاتی است. در فشارهای بالا، پیوند بین دو اتم اکسیژن در مولکول O2​ فشرده‌تر می‌شود. این فشرده‌سازی منجر به افزایش فرکانس ارتعاش مولکولی می‌شود که در طیف رامان قابل مشاهده است. این تغییر فرکانس یک “نشانگر” مهم برای پیش‌بینی گذار به فازهای جدید است.

گذار به حالت مولکولی یا اتمی: در فشارهای بسیار بالا، ممکن است مولکول‌های O2​ شروع به شکستن کنند و ساختارهای پیچیده‌تری تشکیل دهند، یا حتی به اتم‌های اکسیژن تبدیل شوند. هر کدام از این تغییرات ساختاری، اثرات عمیقی بر طیف جذب و پراکندگی نور دارند.

در مورد گاز اکسیژن بیشتر بخوانید

    ویژگی‌های الکترونی:

پارامغناطیس: اکسیژن گازی و مایع به دلیل داشتن دو الکترون با اسپین موازی در اوربیتال‌های π∗، پارامغناطیس است. این یعنی به میدان مغناطیسی خارجی واکنش نشان می‌دهد. این خاصیت حتی در اکسیژن مایع نیز به وضوح دیده می‌شود.

رسانایی و گذار به حالت فلزی: یکی از هیجان‌انگیزترین زمینه‌های تحقیقاتی در مورد اکسیژن، احتمال فلزی شدن آن در فشارهای بسیار بالا است. دانشمندان حدس می‌زنند که با افزایش شدید فشار، اوربیتال‌های الکترونی مولکول‌های اکسیژن همپوشانی زیادی پیدا می‌کنند و الکترون‌ها می‌توانند آزادانه حرکت کنند، شبیه به فلزات. در سال‌های اخیر، مطالعات نشان داده‌اند که اکسیژن در فشارهای بالای 96 گیگا پاسکال، گذار به یک حالت رسانا (و به طور بالقوه فلزی) را تجربه می‌کند. این گذار با تغییرات عمده در ساختار بلوری و خواص الکترونیکی همراه است.

ابررسانایی: در حالی که اکسیژن فلزی شده، هنوز مشخص نیست که آیا در دماهای بسیار پایین و فشارهای بالا می‌تواند ابررسانا شود یا خیر. تحقیقات در این زمینه ادامه دارد و اگر اکسیژن بتواند ابررسانایی دمای بالا را نشان دهد، پیامدهای بسیار بزرگی برای علم مواد خواهد داشت.

تحقیق بر روی اکسیژن در فشارهای گیگا پاسکالی بسیار دشوار است. این آزمایش‌ها نیازمند تجهیزات پیچیده مانند سلول‌های سندان الماسی (Diamond Anvil Cells – DAC) هستند که می‌توانند فشار بسیار زیادی را در فضای کوچکی ایجاد کنند. سپس با استفاده از تکنیک‌های مختلف مانند پراش اشعه ایکس، طیف‌سنجی رامان و اندازه‌گیری مقاومت الکتریکی، خواص ماده در این شرایط بررسی می‌شود.

“اکسیژن آبی” پدیده‌ای است که هم شامل رنگ آبی اکسیژن مایع در دماهای پایین است و هم جنبه‌های پیچیده‌تری در دما و فشار بالا را در بر می‌گیرد. ویژگی‌های طیفی و الکترونی اکسیژن در این شرایط، به ویژه گذار به حالت‌های فلزی و احتمال ابررسانایی، موضوع داغ تحقیقات فیزیک ماده چگال است.

تماس با ما