محققان موسسه فیزیک هسته‌ای ماکس پلانک با موفقیت تغییرات بی‌نهایت کوچک را در توده اتم‌های منفرد به دنبال پرش‌های کوانتومی الکترون‌ها با استفاده از تعادل اتمی بسیار دقیق Pentatrap در مؤسسه در هایدلبرگ.
در مکانیک کلاسیک، "تودهیک ویژگی فیزیکی مهم هر جسمی است که تغییر نمی کند - وزن بسته به "شتاب ناشی از گرانش" تغییر می کند، اما توده ثابت باقی می ماند. این مفهوم از ثبات جرم یک فرض اساسی در مکانیک نیوتنی است، اما در دنیای کوانتومی چنین نیست.
نظریه نسبیت انیشتین مفهوم هم ارزی جرم-انرژی را ارائه داد که اساساً به این معناست که جرم یک جسم نباید همیشه ثابت بماند. می توان آن را به (مقدار معادل) انرژی تبدیل کرد و بالعکس. این رابطه متقابل یا قابلیت تعویض جرم و انرژی به یکدیگر یکی از تفکرات مرکزی در علم است و با معادله معروف E=mc به دست می‌آید2 به عنوان مشتقی از نظریه نسبیت خاص اینشتین که در آن E انرژی، m جرم و c سرعت نور در خلاء است.
این معادله E=mc2 به طور جهانی در همه جا در حال بازی است اما به طور قابل توجهی مشاهده می شود، به عنوان مثال، در اتمی رآکتورهایی که در آن از دست دادن جزئی جرم در طی واکنش های شکافت هسته ای و همجوشی هسته ای باعث ایجاد مقدار زیادی انرژی می شود.
در دنیای زیر اتمی، وقتی یک الکترون «به» یا «از» یکی می‌پرد مدار از سوی دیگر، مقداری انرژی معادل «شکاف سطح انرژی» بین دو سطح کوانتومی جذب یا آزاد می‌شود. بنابراین، در راستای فرمول هم ارزی جرم-انرژی، جرم یک اتم زمانی که انرژی جذب می کند باید افزایش یابد و بالعکس زمانی که انرژی آزاد می کند باید کاهش یابد. اما تغییر در جرم یک اتم به دنبال انتقال کوانتومی الکترون‌ها در اتم، برای اندازه‌گیری بسیار کوچک است. چیزی که تاکنون امکان پذیر 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 مؤسسه ماکس پلانک از ترازوی اتمی بسیار دقیق Pentatrap در مؤسسه هایدلبرگ استفاده کردند. پنتاتراپ مخفف «طیف‌سنج جرمی دام پنینگ با دقت بالا» است، تعادلی که می‌تواند تغییرات بی‌نهایت کوچک در جرم یک اتم را به دنبال پرش‌های کوانتومی الکترون‌ها در داخل 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:
1. Max-Planck-Gesellschaft 2020. اتاق خبر - Pentatrap تفاوت جرم بین حالت های کوانتومی را اندازه گیری می کند. ارسال شده در 07 مه 07، 2020. در دسترس آنلاین در https://www.mpg.de/14793234/pentatrap-quantum-state-mass?c=2249 مشاهده شده در 07 مه 2020.
2. Schüssler, RX, Bekker, H., Braß, M. et al. تشخیص حالت های الکترونیکی ناپایدار با استفاده از طیف سنجی جرمی تله پنینگ Nature 581, 42-46 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2221-0
3. JabberWok در Q52 انگلیسی، 2007. مدل اتم بور. [تصویر آنلاین] موجود در https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bohr_atom_model.svg به 08 مه 2020 دسترسی پیدا کرد.
***
