Исследователи из Института ядерной физики им. Макса Планка успешно измерили мельчайшие изменения массы отдельных атомов после квантовых скачков электронов внутри них, используя сверхточные атомные весы Pentatrap, установленные в Институте в Гейдельберге.
В классической механике « масса » — это важное физическое свойство любого объекта, которое не изменяется: вес меняется в зависимости от «ускорения свободного падения», а масса остается постоянной. Это понятие постоянства массы является основной предпосылкой ньютоновской механики, однако в квантовом мире это не так.
Теория относительности Эйнштейна ввела понятие эквивалентности массы и энергии, которое, по сути, подразумевает, что масса объекта не обязательно должна оставаться постоянной; она может быть преобразована в (эквивалентное количество) энергии и наоборот. Эта взаимосвязь или взаимозаменяемость массы и энергии является одной из центральных идей в науке и выражается знаменитым уравнением E=mc² как производной от специальной теории относительности Эйнштейна, где E — энергия, m — масса, а c — скорость света в вакууме.
Уравнение E=mc² применяется повсеместно, но особенно часто встречается, например, в атомных реакторах, где частичная потеря массы в ходе реакций ядерного деления и ядерного синтеза приводит к выделению огромного количества энергии.
В субатомном мире, когда электрон переходит с одной орбитали на другую, поглощается или выделяется количество энергии, эквивалентное «энергетическому зазору» между двумя квантовыми уровнями. Следовательно, в соответствии с формулой эквивалентности массы и энергии, масса атома должна увеличиваться при поглощении энергии и, наоборот, уменьшаться при её выделении. Но изменение массы атома после квантовых переходов электронов внутри атома было бы крайне малым для измерения; это было невозможно до сих пор. Но теперь это изменилось!
Исследователи из Института ядерной физики Макса Планка впервые успешно измерили это бесконечно малое изменение массы отдельных атомов, что, возможно, является высшей точкой в прецизионной физике.
Для достижения этой цели исследователи из Института Макса Планка использовали сверхточные атомные весы Pentatrap, расположенные в Гейдельберге. PENTATRAP расшифровывается как «высокоточный масс-спектрометр с ловушкой Пеннинга» — весы, способные измерять бесконечно малые изменения массы атома после квантовых скачков электронов внутри него.
Таким образом, PENTATRAP обнаруживает метастабильные электронные состояния в атомах.
В отчете описывается наблюдение метастабильного электронного состояния путем измерения разницы масс между основным и возбужденным состояниями в рении.
Ссылки:
1. Общество Макса Планка, 2020. Новости – Пентатрап измеряет разницу масс между квантовыми состояниями. Опубликовано 7 мая 2020 г. Доступно онлайн по адресу https://www.mpg.de/14793234/pentatrap-quantum-state-mass?c=2249 . Дата обращения: 7 мая 2020 г.
2. Schüssler, RX, Bekker, H., Braß, M. et al. Обнаружение метастабильных электронных состояний методом масс-спектрометрии с ловушкой Пеннинга. Nature 581, 42–46 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2221-0
3. JabberWok на английском языке Q52, 2007. Модель атома Бора. [изображение онлайн] Доступно по адресу https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bohr_atom_model.svg Дата обращения: 08 мая 2020.
