Max Planck Institute for Nuclear Physicsin tutkijat ovat onnistuneet mittaamaan äärettömän pieniä muutoksia massa yksittäisistä atomeista seuraavien elektronien kvanttihypyt sisällä käyttämällä erittäin tarkkaa Pentatrap-atomitasapainoa Heidelbergin instituutissa.
Klassisessa mekaniikassa "massa" on minkä tahansa kohteen tärkeä fyysinen ominaisuus, joka ei muutu - paino muuttuu "painovoiman aiheuttaman kiihtyvyyden" mukaan, mutta massa pysyy vakiona. Tämä käsitys massan pysyvyydestä on peruslähtökohta newtonilaisessa mekaniikassa, mutta ei niin kvanttimaailmassa.
Einsteinin suhteellisuusteoria antoi käsitteen massa-energiaekvivalenssista, joka periaatteessa merkitsi sitä, että esineen massan ei tarvitse pysyä vakiona aina; se voidaan muuntaa (vastaavaksi määräksi) energiaksi ja päinvastoin. Tämä massan keskinäinen suhde tai vaihdettavuus energia toisiinsa on yksi tieteen keskeisistä ajatteluista, ja sen antaa kuuluisa yhtälö E=mc2 johdannainen Einsteinin erityisestä suhteellisuusteoriasta, jossa E on energia, m on massa ja c on valon nopeus tyhjiössä.
Tämä yhtälö E=mc2 on pelissä yleisesti kaikkialla, mutta havaitaan merkittävästi esimerkiksi sisällä atomi- reaktoreita, joissa osittainen massan menetys ydinfissio- ja ydinfuusioreaktioiden aikana aiheuttaa valtavan määrän energiaa.
Subatomimaailmassa, kun elektroni hyppää "yhdestä" tai "yhdestä". kiertoradan toiselle absorboituu tai vapautuu energiamäärä, joka vastaa kahden kvanttitason välistä "energiatasoeroa". Siksi massa-energiaekvivalenssin kaavan mukaisesti an massa atomi sen pitäisi kasvaa, kun se imee energiaa ja päinvastoin, pitäisi laskea, kun se vapauttaa energiaa. Mutta atomin massan muutos atomin sisällä olevien elektronien kvanttisiirtymien seurauksena olisi äärimmäisen pieni mitata; jotain, mikä ei ole tähän mennessä ollut mahdollista. Mutta ei enää!
Max Planck Institute for Nuclear Physics -instituutin tutkijat ovat onnistuneet mittaamaan ensimmäistä kertaa tämän äärettömän pienen muutoksen yksittäisten atomien massoissa, mikä on mahdollisesti tarkkuusfysiikan korkein kohta.
Tämän saavuttamiseksi Max Planck -instituutin tutkijat käyttivät erittäin tarkkaa Pentatrap-atomitasapainoa Heidelbergin instituutissa. PENTATRAP tarkoittaa 'high-precision Penning trap -massaspektrometria', tasapainoa, joka voi mitata äärettömän pieniä muutoksia atomin massassa sisällä olevien elektronien kvanttihyppyjen seurauksena.
PENTATRAP havaitsee siten metastabiilit elektroniset tilat atomien sisällä.
Raportissa kuvataan metastabiilin elektronisen tilan havainnointia mittaamalla reniumin perus- ja viritystilan välinen massaero.
***
Viitteet:
1. Max-Planck-Gesellschaft 2020. Newsroom – Pentatrap mittaa kvanttitilojen välisiä massaeroja. Julkaistu 07. toukokuuta 07, 2020. Saatavilla verkossa osoitteessa https://www.mpg.de/14793234/pentatrap-quantum-state-mass?c=2249 Käytetty 07.
2. Schüssler, RX, Bekker, H., Braß, M. et ai. Metastabiilien elektronisten tilojen havaitseminen Penningin trap-massaspektrometrialla. Nature 581, 42–46 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2221-0
3. JabberWok at Englanti Q52, 2007. Bohr-atomimalli. [image online] Saatavilla osoitteessa https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bohr_atom_model.svg Käytetty 08 toukokuu 2020.
***
