Onderzoekers van het Max Planck Instituut voor Kernfysica hebben met succes oneindig kleine veranderingen in de massa van individuele atomen gemeten na kwantumsprongen van elektronen daarin, door gebruik te maken van de uiterst precieze Pentatrap-atoombalans van het instituut in Heidelberg.
In de klassieke mechanica is de ' massa ' een belangrijke fysische eigenschap van elk object die niet verandert – het gewicht verandert afhankelijk van de 'versnelling door de zwaartekracht', maar de massa blijft constant. Dit idee van constante massa is een basisprincipe in de Newtoniaanse mechanica, maar niet in de kwantumwereld.
Einsteins relativiteitstheorie introduceerde het begrip massa-energie-equivalentie, wat in wezen inhield dat de massa van een object niet altijd constant hoeft te blijven; deze kan worden omgezet in (een equivalente hoeveelheid) energie en omgekeerd. Deze onderlinge relatie of uitwisselbaarheid van massa en energie is een centraal thema in de wetenschap en wordt weergegeven door de beroemde vergelijking E=mc² als afgeleide van Einsteins speciale relativiteitstheorie, waarbij E energie is, m massa en c de lichtsnelheid in vacuüm.
Deze vergelijking E=mc² is universeel van toepassing, maar wordt met name waargenomen in kernreactoren, waar gedeeltelijk massaverlies tijdens kernsplijtings- en kernfusieprocessen een enorme hoeveelheid energie vrijmaakt.
In de subatomaire wereld wordt, wanneer een elektron van of naar een andere orbitaal springt , een hoeveelheid energie geabsorbeerd of vrijgegeven die gelijk is aan het energieverschil tussen de twee kwantumniveaus. Volgens de formule voor massa-energie-equivalentie zou de massa van een atoom dus moeten toenemen wanneer het energie absorbeert en omgekeerd afnemen wanneer het energie vrijgeeft. De verandering in de massa van een atoom als gevolg van kwantumtransities van elektronen binnen het atoom zou echter extreem klein zijn om te meten; iets wat tot nu toe niet mogelijk was. Maar daar komt nu verandering in!
De onderzoekers van het Max Planck Instituut voor Kernfysica hebben voor het eerst deze oneindig kleine verandering in de massa van individuele atomen met succes gemeten, mogelijk het hoogste punt in de precisiefysica.
Om dit te bereiken, gebruikten de onderzoekers van het Max Planck Instituut de uiterst precieze Pentatrap-atoombalans van het instituut in Heidelberg. PENTATRAP staat voor 'high-precision Penning trap mass spectrometer', een balans die oneindig kleine veranderingen in de massa van een atoom kan meten na kwantumsprongen van elektronen daarin.
PENTATRAP detecteert dus metastabiele elektronische toestanden binnen atomen.
Het rapport beschrijft de observatie van een metastabiele elektronische toestand door het massaverschil tussen de grond en de aangeslagen toestanden in Rhenium te meten.
***
Referenties:
1. Max-Planck-Gesellschaft 2020. Nieuwsbericht – Pentatrap meet massaverschillen tussen kwantumtoestanden. Geplaatst op 7 mei 2020. Online beschikbaar op https://www.mpg.de/14793234/pentatrap-quantum-state-mass?c=2249 . Geraadpleegd op 7 mei 2020.
2. Schüssler, RX, Bekker, H., Braß, M. et al. Detectie van metastabiele elektronische toestanden door middel van Penning-valmassaspectrometrie. Nature 581, 42–46 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2221-0
3. JabberWok bij English Q52, 2007. Bohr-atoommodel. [afbeelding online] Beschikbaar op https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bohr_atom_model.svg Geraadpleegd op 08 mei 2020.
***
