Raziskovalci z Inštituta Max Planck za jedrsko fiziko so uspešno izmerili neskončno majhne spremembe v masa posameznih atomov po kvantnih skokih elektronov znotraj z uporabo ultra-natančne atomske tehtnice Pentatrap na inštitutu v Heidelbergu.
V klasični mehaniki je 'masa' je pomembna fizična lastnost katerega koli predmeta, ki se ne spreminja – teža se spreminja glede na 'pospešek zaradi težnosti', vendar masa ostane konstantna. Ta pojem konstantnosti mase je osnovna premisa v Newtonovi mehaniki, vendar ne v kvantnem svetu.
Einsteinova teorija relativnosti je dala pojem ekvivalentnosti mase in energije, ki je v bistvu impliciral, da ni treba, da masa predmeta vedno ostane konstantna; lahko se pretvori v (ekvivalentno količino) energije in obratno. Ta medsebojna povezanost ali zamenljivost mase in energija drug v drugega je eden od osrednjih razmišljanj v znanosti in ga podaja znamenita enačba E=mc2 kot izpeljanka Einsteinove posebne teorije relativnosti, kjer je E energija, m masa in c hitrost svetlobe v vakuumu.
Ta enačba E=mc2 je v igri povsod povsod, vendar ga opazno opazujemo, na primer v atomsko reaktorji, kjer delna izguba mase med reakcijami jedrske cepitve in jedrske fuzije povzroči veliko količino energije.
V subatomskem svetu, ko elektron skoči 'na' ali 'iz' enega orbitalni drugemu pa se absorbira ali sprosti količina energije, ki je enaka 'vrzeli med nivojema energije' med obema kvantnima nivojema. Zato je v skladu s formulo ekvivalenta mase in energije masa an atom se mora povečati, ko absorbira energijo, in obratno, zmanjšati, ko sprosti energijo. Toda sprememba mase atoma po kvantnih prehodih elektronov znotraj atoma bi bila izjemno majhna za merjenje; nekaj, kar do sedaj ni bilo mogoče. Ampak ne več!
Raziskovalci z Inštituta za jedrsko fiziko Maxa Plancka so prvič uspešno izmerili to neskončno majhno spremembo v masi posameznih atomov, kar je morda najvišja točka v precizni fiziki.
Da bi to dosegli, so raziskovalci na Inštitutu Max Planck uporabili ultra natančno atomsko ravnovesje Pentatrap na Inštitutu v Heidelbergu. PENTATRAP pomeni 'visoko natančen masni spektrometer Penningove pasti', tehtnico, ki lahko meri neskončno majhne spremembe v masi atoma po kvantnih skokih elektronov znotraj.
PENTATRAP tako zazna metastabilna elektronska stanja znotraj atomov.
Poročilo opisuje opazovanje metastabilnega elektronskega stanja z merjenjem masne razlike med osnovnim in vzbujenim stanjem v reniju.
***
Reference:
1. Max-Planck-Gesellschaft 2020. Redakcija – Pentatrap meri razlike v masi med kvantnimi stanji. Objavljeno 07. maja 07. Dostopno na spletu https://www.mpg.de/14793234/pentatrap-quantum-state-mass?c=2249 Dostop 07. maja 2020.
2. Schüssler, RX, Bekker, H., Braß, M. et al. Odkrivanje metastabilnih elektronskih stanj z masno spektrometrijo Penningove pasti. Narava 581, 42–46 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2221-0
3. JabberWok na angleškem Q52, 2007. Bohrov atomski model. [slika na spletu] Dostopno na https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bohr_atom_model.svg Dostopno do 08, maj 2020.
***
