Naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej Maxa Plancka z powodzeniem zmierzyli nieskończenie małe zmiany w masa poszczególnych atomów po kwantowych skokach elektronów w ich obrębie, wykorzystując ultraprecyzyjną równowagę atomową Pentatrap w Instytucie w Heidelbergu.
W mechanice klasycznej „masa' to ważna właściwość fizyczna każdego obiektu, która się nie zmienia - waga zmienia się w zależności od „przyspieszenia grawitacyjnego”, ale masa pozostaje stała. To pojęcie stałości masy jest podstawowym założeniem mechaniki Newtona, jednak nie jest tak w świecie kwantowym.
Teoria względności Einsteina dała pojęcie równoważności masy i energii, co w zasadzie sugerowało, że masa obiektu nie musi być zawsze stała; można ją przekształcić w (równoważną ilość) energię i odwrotnie. To wzajemne powiązanie lub wymienność masy i energia siebie nawzajem jest jednym z głównych założeń nauki i wyraża się za pomocą słynnego równania E=mc2 jako pochodna specjalnej teorii względności Einsteina, gdzie E to energia, m to masa, a c to prędkość światła w próżni.
To równanie E=mc2 jest w grze uniwersalnie wszędzie, ale jest obserwowany znacząco, na przykład w atomowy reaktory, w których częściowa utrata masy podczas rozszczepienia jądra i reakcji syntezy jądrowej powoduje powstanie ogromnej ilości energii.
W świecie subatomowym, gdy elektron przeskakuje „do” lub „z” jednego orbitalny do drugiego, absorbowana lub uwalniana jest ilość energii odpowiadająca „luce poziomów energii” pomiędzy dwoma poziomami kwantowymi. Zatem zgodnie ze wzorem na równoważność masy i energii, masa atom powinien wzrosnąć, gdy pochłania energię i odwrotnie, powinien maleć, gdy uwalnia energię. Ale zmiana masy atomu po kwantowych przejściach elektronów w atomie byłaby niezwykle mała do zmierzenia; coś, co do tej pory nie było możliwe. Ale już nie!
Naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej im. Maxa Plancka po raz pierwszy z powodzeniem zmierzyli tę nieskończenie małą zmianę masy poszczególnych atomów, prawdopodobnie najwyższy punkt w fizyce precyzyjnej.
Aby to osiągnąć, naukowcy z Instytutu Maxa Plancka wykorzystali ultraprecyzyjną równowagę atomową Pentatrap w Instytucie w Heidelbergu. PENTATRAPA oznacza „precyzyjny spektrometr mas z pułapką Penninga”, wagę, która może mierzyć nieskończenie małe zmiany masy atomu w następstwie skoków kwantowych elektronów w nim.
W ten sposób PENTATRAP wykrywa metastabilne stany elektronowe w atomach.
Raport opisuje obserwację metastabilnego stanu elektronowego poprzez pomiar różnicy mas pomiędzy stanami podstawowymi i wzbudzonymi w Renie.
***
Referencje:
1. Max-Planck-Gesellschaft 2020. Newsroom – Pentatrap mierzy różnice w masie między stanami kwantowymi. Opublikowano 07 r. Dostępne online na https://www.mpg.de/14793234/pentatrap-quantum-state-mass?c=2249 Dostęp 07 maja 2020 r.
2. Schüssler RX, Bekker H., Braß M. i in. Wykrywanie metastabilnych stanów elektronowych metodą spektrometrii mas z pułapką Penninga. Natura 581, 42-46 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2221-0
3. JabberWok w angielskim Q52, 2007. Model atomu Bohra. [zdjęcie online] Dostępne pod adresem https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bohr_atom_model.svg Dostęp do 08 May 2020.
***
