Křehké vztahy atomů helia

Elektroneutrální atomy či molekuly mohou vstoupit do tří druhů svazků, lišících se silou vazby, která je spojuje (mírou síly vazby je vazebná energie, tj. energie, kterou by bylo třeba vynaložit na roztržení vazby).

Zatímco vazebná energie chemicky spojených atomů odpovídá řádově stovce kilokalorií na mol, tzv. vodíková vazba (např. mezi molekulami vody) je o řád nebo dva slabší. Ještě slabší jsou van der Waalsovy síly, které jsou důsledkem vzájemné přitažlivosti mezi elektrickými dipóly atomů či molekul. Energie van der Waalsovy vazby se obvykle vyjadřuje v kelvinech (energie vydělená Boltzmannovou konstantou; jedna kilokalorie na mol odpovídá zhruba čtyřem stům kelvinům). Nejslabší odrůda van der Waalsových sil – tzv. disperzní síly – jsou důsledkem atrakce vzájemně indukovaných elektrických dipólů atomů a molekul a nesou spoluodpovědnost např. za vznik klastrů a kondenzaci vůbec, jakož i za fyzisorpci. Jejich energie dosahuje řádově jednotek kelvinů.

Disperzní síly byly poprvé analyzovány v roce 1930 Fritzem Londonem, který ukázal, že jsou důsledkem kvantově mechanických korelací mezi pohybem elektronů ve dvou či více různých atomech (nebo molekulách) při velkých vzdálenostech. Úměrné polarisabilitě (tj. deformovatelnosti elektronového obalu atomu či molekuly vnějším elektrickým polem) jsou Londonovy disperzní síly obzvlášť slabé v případě atomů helia (He; polarisabilita atomu helia je nejmenší ze všech atomů v základním stavu), které se proto vyhýbají svazkům s jinými atomy, ať už helia nebo jiných prvků, např. lithia (Li). Na druhou stranu činí zcela zaplněná elektronová slupka atom helia natolik kompaktním, že minimální vzdálenost, na kterou si atom helia připustí k tělu jiný atom (buď helia, nebo jiného prvku), je tak malá, jak to druhý atom dovolí. Ze všech možných atomových kombinací je tedy nejmenší právě pro pár He-He. Důsledkem je, že přitažlivé Londonovy disperzní síly, které rostou nepřímo úměrně s šestou mocninou meziatomové vzdálenosti, mají v případě dimeru helia (He₂) příležitost dosáhnout poměrně velké hodnoty ještě předtím, než jsou přemoženy odpudivými silami při malých meziatomových vzdálenostech.