Forskerne ved Max Planck Institute for Nuclear Physics har med suksess målt uendelig liten endring i masse av individuelle atomer som følger kvantehopp av elektroner innenfor ved å bruke den ultranøyaktige Pentatrap atombalansen ved instituttet i Heidelberg.
I klassisk mekanikk,masse' er en viktig fysisk egenskap til ethvert objekt som ikke endres - vekten endres avhengig av 'akselerasjon på grunn av tyngdekraften', men masse forblir konstant. Denne forestillingen om massekonstans er et grunnleggende premiss i den newtonske mekanikken, men ikke slik i kvanteverdenen.
Einsteins relativitetsteori ga forestillingen om masse-energi-ekvivalens som i bunn og grunn innebar at massen til et objekt ikke alltid trenger å være konstant; den kan omdannes til (en tilsvarende mengde) energi og omvendt. Dette innbyrdes forhold eller utskiftbarhet av masse og energi inn i hverandre er en sentral tenkning i vitenskapen og er gitt av den berømte ligningen E=mc2 som et derivat av Einsteins spesielle relativitetsteori der E er energi, m er masse og c er lysets hastighet i vakuum.
Denne ligningen E=mc2 er i spill universelt overalt, men observeres betydelig, for eksempel i atomic reaktorer hvor delvis tap av masse under kjernefysisk fisjon og kjernefusjonsreaksjoner gir opphav til enorme mengder energi.
I den subatomære verden, når et elektron hopper "til" eller "fra" en orbital til en annen absorberes eller frigjøres en mengde energi som tilsvarer 'energinivågapet' mellom de to kvantenivåene. Derfor, i tråd med formelen for masse-energi-ekvivalens, vil massen til en atom bør øke når den absorberer energi og omvendt, bør avta når den frigjør energi. Men endringen i massen til et atom etter kvanteoverganger av elektroner i atomet, ville være ekstremt liten å måle; noe som ikke har vært mulig så langt. Men ikke nå lenger!
Forskerne ved Max Planck Institute for Nuclear Physics har for første gang målt denne uendelig lille endringen i massen til individuelle atomer, muligens det høyeste punktet i presisjonsfysikk.
For å oppnå dette brukte forskerne ved Max Planck Institute den ultrapresise Pentatrap atombalansen ved instituttet i Heidelberg. PENTATRAP står for 'høypresisjon Penning trap massespektrometer', en balanse som kan måle uendelig små endringer i massen til et atom etter kvantehopp av elektroner innenfor.
PENTATRAP oppdager dermed metastabile elektroniske tilstander i atomer.
Rapporten beskriver observasjon av en metastabil elektronisk tilstand ved å måle masseforskjellen mellom bakken og eksiterte tilstander i Rhenium.
***
Referanser:
1. Max-Planck-Gesellschaft 2020. Newsroom – Pentatrap måler forskjeller i masse mellom kvantetilstander. Lagt ut 07. mai 07, 2020. Tilgjengelig online på https://www.mpg.de/14793234/pentatrap-quantum-state-mass?c=2249 Åpnet 07. mai 2020.
2. Schüssler, RX, Bekker, H., Braß, M. et al. Deteksjon av metastabile elektroniske tilstander ved Penning-felle-massespektrometri. Nature 581, 42–46 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2221-0
3. JabberWok på engelsk Q52, 2007. Bohr-atommodell. [bilde på nett] Tilgjengelig på https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bohr_atom_model.svg Tilgang til 08 mai 2020.
***
