محققان موسسه فیزیک هستهای ماکس پلانک با استفاده از ترازوی اتمی فوق دقیق پنتاتراپ در این موسسه در هایدلبرگ، با موفقیت تغییرات بینهایت کوچک در جرم اتمهای منفرد را پس از جهشهای کوانتومی الکترونهای درون آنها اندازهگیری کردند.
در مکانیک کلاسیک، « جرم » یک ویژگی فیزیکی مهم هر جسم است که تغییر نمیکند - وزن بسته به «شتاب ناشی از گرانش» تغییر میکند اما جرم ثابت میماند. این مفهوم ثابت بودن جرم یک فرض اساسی در مکانیک نیوتنی است، با این حال، در دنیای کوانتومی چنین نیست.
نظریه نسبیت انیشتین مفهوم همارزی جرم و انرژی را ارائه داد که اساساً دلالت بر این داشت که جرم یک جسم لزوماً همیشه ثابت نمیماند؛ بلکه میتواند به (مقدار معادلی از) انرژی تبدیل شود و برعکس. این رابطه متقابل یا قابلیت تبدیل جرم و انرژی به یکدیگر، یکی از تفکرات اصلی در علم است و توسط معادله معروف E=mc^ 2 به عنوان مشتقی از نظریه نسبیت خاص انیشتین ارائه میشود که در آن E انرژی، m جرم و c سرعت نور در خلاء است.
این معادله E=mc^ 2 به طور جهانی در همه جا وجود دارد، اما به طور قابل توجهی مشاهده میشود، به عنوان مثال، در راکتورهای اتمی که در آنها از دست دادن جزئی جرم در طول واکنشهای شکافت هستهای و همجوشی هستهای منجر به تولید مقدار زیادی انرژی میشود.
در دنیای زیراتمی، وقتی یک الکترون «به» یا «از» یک اوربیتال به اوربیتال دیگر میپرد، مقداری انرژی معادل «شکاف سطح انرژی» بین دو سطح کوانتومی جذب یا آزاد میشود. بنابراین، مطابق با فرمول همارزی جرم-انرژی، جرم یک اتم باید هنگام جذب انرژی افزایش یابد و برعکس، هنگام آزاد کردن انرژی کاهش یابد. اما تغییر در جرم یک اتم پس از انتقالهای کوانتومی الکترونها در اتم، برای اندازهگیری بسیار کوچک خواهد بود؛ چیزی که تاکنون امکانپذیر نبوده است. اما دیگر نه!
محققان موسسه فیزیک هستهای ماکس پلانک این تغییر بینهایت کوچک در جرم اتمهای منفرد را برای اولین بار با موفقیت اندازهگیری کردند، که احتمالاً بالاترین نقطه در فیزیک دقیق است.
برای دستیابی به این هدف، محققان موسسه ماکس پلانک از ترازوی اتمی فوق دقیق پنتاتراپ در موسسه هایدلبرگ استفاده کردند. پنتاتراپ مخفف «طیفسنج جرمی تله پنینگ با دقت بالا» است، ترازویی که میتواند تغییرات بینهایت کوچک در جرم یک اتم را پس از جهشهای کوانتومی الکترونهای درون آن اندازهگیری کند.
بنابراین PENTATRAP حالت های الکترونیکی متقابل را در اتم ها تشخیص می دهد.
این گزارش مشاهدات یک حالت الکترونیکی ناپایدار را با اندازهگیری اختلاف جرم بین حالتهای زمین و حالت برانگیخته در رنیم توصیف میکند.
***
منابع:
۱. انجمن فیزیک ماکس پلانک ۲۰۲۰. اتاق خبر – پنتاتراپ تفاوت جرم بین حالتهای کوانتومی را اندازهگیری میکند. ارسال شده در ۷ مه ۲۰۲۰. به صورت آنلاین در https://www.mpg.de/14793234/pentatrap-quantum-state-mass?c=2249 قابل دسترسی در ۷ مه ۲۰۲۰.
2. شوسلر، آر ایکس، بکر، اچ.، براس، ام. و همکاران. تشخیص حالتهای الکترونی شبهپایدار با استفاده از طیفسنجی جرمی تله پنینگ. نیچر 581، 42-46 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2221-0
۳. JabberWok در English Q52، ۲۰۰۷. مدل اتم بور. [تصویر آنلاین] موجود در https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bohr_atom_model.svg تاریخ دسترسی: ۸ مه ۲۰۲۰.
***
