Forskarna vid Max Planck Institute for Nuclear Physics har framgångsrikt mätt oändligt liten förändring i massa av individuella atomer efter kvanthopp av elektroner inom genom att använda den ultraexakta Pentatrap-atombalansen vid institutet i Heidelberg.
Inom klassisk mekanik,massa' är en viktig fysisk egenskap hos alla föremål som inte förändras - vikten ändras beroende på "acceleration på grund av gravitation" men massa förblir konstant. Denna uppfattning om massans beständighet är en grundläggande premiss i den newtonska mekaniken, dock inte i kvantvärlden.
Einsteins relativitetsteori gav uppfattningen om mass-energiekvivalens som i grund och botten innebar att ett objekts massa inte alltid behöver förbli konstant; den kan omvandlas till (motsvarande mängd) energi och vice versa. Detta inbördes förhållande eller utbytbarhet av massa och energi in i varandra är ett centralt tänkande inom vetenskapen och ges av den berömda ekvationen E=mc2 som en derivata av Einsteins speciella relativitetsteori där E är energi, m är massa och c är ljusets hastighet i vakuum.
Denna ekvation E=mc2 är i spel universellt överallt men observeras avsevärt, till exempel i atom reaktorer där partiell förlust av massa under kärnklyvning och kärnfusionsreaktioner ger upphov till enorma mängder energi.
I den subatomära världen, när en elektron hoppar "till" eller "från" en kretslopp till en annan absorberas eller frigörs en mängd energi som motsvarar "energinivågap" mellan de två kvantnivåerna. Därför, i linje med formeln för mass-energiekvivalens, är massan av an atomen bör öka när den absorberar energi och omvänt, bör minska när den släpper energi. Men förändringen i en atoms massa efter kvantövergångar av elektroner inom atomen skulle vara extremt liten att mäta; något som hittills inte varit möjligt. Men inte längre!
Forskarna vid Max Planck Institute for Nuclear Physics har framgångsrikt mätt denna oändligt lilla förändring i massan av enskilda atomer för första gången, möjligen den högsta punkten inom precisionsfysik.
För att uppnå detta använde forskarna vid Max Planck-institutet den ultraexakta Pentatrap-atombalansen vid institutet i Heidelberg. PENTATRAP står för 'high-precision Penning trap mass spectrometer', en balans som kan mäta oändligt små förändringar i en atoms massa efter kvanthopp av elektroner inuti.
PENTATRAP detekterar således metastabila elektroniska tillstånd inom atomer.
Rapporten beskriver observation av ett metastabilt elektroniskt tillstånd genom att mäta massskillnaden mellan marken och exciterade tillstånd i Rhenium.
***
Referenser:
1. Max-Planck-Gesellschaft 2020. Newsroom – Pentatrap mäter skillnader i massa mellan kvanttillstånd. Upplagt 07 maj 07. Tillgänglig online på https://www.mpg.de/14793234/pentatrap-quantum-state-mass?c=2249 Tillträde den 07 maj 2020.
2. Schüssler, RX, Bekker, H., Braß, M. et al. Detektering av metastabila elektroniska tillstånd med Penning trap-masspektrometri. Nature 581, 42–46 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2221-0
3. JabberWok på engelska Q52, 2007. Bohr-atommodell. [bild online] Tillgänglig på https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bohr_atom_model.svg Åtkomst till 08 maj 2020.
***
