החוקרים ממכון מקס פלנק לפיזיקה גרעינית מדדו בהצלחה שינוי קטן לאין שיעור ב מסה של אטומים בודדים בעקבות קפיצות קוונטיות של אלקטרונים בפנים באמצעות האיזון האטומי המדויק במיוחד של Pentatrap במכון בהיידלברג.
במכניקה הקלאסית, ה'מסההוא תכונה פיזיקלית חשובה של כל עצם שאינו משתנה - המשקל משתנה בהתאם ל"האצה עקב כוח הכבידה" אך מסה נשאר קבוע. מושג זה של קביעות מסה הוא הנחת יסוד במכניקה הניוטונית, אולם לא כך בעולם הקוונטי.
תורת היחסות של איינשטיין נתנה את המושג של שוויון אנרגיה-מסה, אשר בעצם מרמז שמסה של עצם אינה צריכה להישאר קבועה תמיד; ניתן להמיר אותו ל(כמות שווה של) אנרגיה ולהיפך. יחסי גומלין או החלפה זו של מסה ו אנרגיה זה לתוך זה היא אחת מהחשיבה המרכזית במדע וניתנת על ידי המשוואה המפורסמת E=mc2 כנגזרת של תורת היחסות המיוחדת של איינשטיין שבה E היא אנרגיה, m היא מסה ו-c היא מהירות האור בוואקום.
המשוואה הזו E=mc2 פועל באופן אוניברסלי בכל מקום אך הוא נצפה באופן משמעותי, למשל, ב אטומי כורים שבהם אובדן חלקי של מסה במהלך ביקוע גרעיני והיתוך גרעיני יוצר כמות עצומה של אנרגיה.
בעולם התת-אטומי, כאשר אלקטרון קופץ 'אל' או 'מ' אחד ארובתי לאחר, כמות אנרגיה שווה ערך ל'פער רמת האנרגיה' בין שתי הרמות הקוונטיות נספגת או משתחררת. לכן, בהתאם לנוסחה של שקילות מסה-אנרגיה, המסה של an אטום צריך לעלות כאשר הוא סופג אנרגיה ולהפך, צריך להקטין כאשר הוא משחרר אנרגיה. אבל השינוי במסה של אטום בעקבות מעברים קוונטיים של אלקטרונים בתוך האטום, יהיה קטן ביותר למדידה; משהו שלא היה אפשרי עד כה. אבל לא עוד!
החוקרים במכון מקס פלנק לפיזיקה גרעינית מדדו בהצלחה את השינוי הקטן הזה לאין שיעור במסה של אטומים בודדים בפעם הראשונה, אולי הנקודה הגבוהה ביותר בפיזיקה המדויקת.
כדי להשיג זאת, החוקרים במכון מקס פלנק השתמשו במאזן האטומי המדויק במיוחד של Pentatrap במכון בהיידלברג. PENTATRAP מייצג 'ספקטרומטר מסת מלכודת Penning בדיוק גבוה', מאזן שיכול למדוד שינויים קטנים לאין שיעור במסה של אטום בעקבות קפיצות קוונטיות של אלקטרונים בתוכו.
לפיכך, PENTATRAP מזהה מצבים אלקטרוניים יציבים בתוך אטומים.
הדו"ח מתאר תצפית על מצב אלקטרוני גרם יציב על ידי מדידת הפרש המסה בין מצבי הקרקע והנרגשים ברניום.
***
הפניות:
1. Max-Planck-Gesellschaft 2020. Newsroom – Pentatrap מודד הבדלים במסה בין מצבים קוונטיים. פורסם ב-07 במאי 07, 2020. זמין באינטרנט ב- https://www.mpg.de/14793234/pentatrap-quantum-state-mass?c=2249 נגיש ב-07 במאי 2020.
2. Schüssler, RX, Bekker, H., Braß, M. et al. זיהוי של מצבים אלקטרוניים יציבים באמצעות ספקטרומטריית מלכודת Penning. טבע 581, 42–46 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2221-0
3. JabberWok ב-Q52 האנגלית, 2007. דגם אטום בוהר. [תמונה מקוונת] זמין ב https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bohr_atom_model.svg ניגש ל- 08 מאי 2020.
***
