De onderzoekers van het Max Planck Instituut voor Kernfysica hebben met succes oneindig kleine veranderingen in het aardoppervlak gemeten massa van individuele atomen die kwantumsprongen van elektronen binnenin volgen door gebruik te maken van de ultranauwkeurige Pentatrap-atoombalans van het Instituut in Heidelberg.
In de klassieke mechanica wordt de 'massa' is een belangrijke fysieke eigenschap van elk object dat niet verandert - het gewicht verandert afhankelijk van 'versnelling als gevolg van de zwaartekracht', maar de massa blijft constant. Dit idee van constantheid van massa is een basisuitgangspunt in de Newtoniaanse mechanica, maar niet in de kwantumwereld.
De relativiteitstheorie van Einstein gaf het idee van massa-energie-equivalentie, wat in feite impliceerde dat de massa van een object niet altijd constant hoeft te blijven; het kan worden omgezet in (een gelijkwaardige hoeveelheid) energie en omgekeerd. Deze onderlinge relatie of uitwisselbaarheid van massa en energie-niveau in elkaar brengen is een van de centrale denkbeelden in de wetenschap en wordt gegeven door de beroemde vergelijking E=mc2 als een afgeleide van de speciale relativiteitstheorie van Einstein, waarbij E energie is, m massa en c de lichtsnelheid in vacuüm.
Deze vergelijking E=mc2 is overal in het spel, maar wordt significant waargenomen, bijvoorbeeld in atomair reactoren waar gedeeltelijk massaverlies tijdens kernsplijting en kernfusiereacties aanleiding geeft tot een enorme hoeveelheid energie.
In de subatomaire wereld, wanneer een elektron 'naar' of 'van' een elektron springt orbitale naar een ander wordt een hoeveelheid energie geabsorbeerd of vrijgegeven die gelijk is aan de 'energieniveaukloof' tussen de twee kwantumniveaus. Daarom, in overeenstemming met de formule van massa-energie-equivalentie, is de massa van an atoom zou moeten toenemen wanneer het energie absorbeert en omgekeerd, zou moeten afnemen wanneer het energie vrijgeeft. Maar de verandering in de massa van een atoom volgend op kwantumovergangen van elektronen binnen het atoom, zou extreem klein zijn om te meten; iets wat tot nu toe niet mogelijk was. Maar nu niet meer!
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 ultraprecieze Pentatrap-atoombalans van het Instituut in Heidelberg. PENTTRAP staat voor 'high-precision Penning trap massaspectrometer', een balans die oneindig kleine veranderingen in de massa van een atoom kan meten na kwantumsprongen van elektronen binnenin.
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. Newsroom – Pentatrap meet verschillen in massa tussen kwantumtoestanden. Geplaatst op 07 mei 07, 2020. Online beschikbaar op: https://www.mpg.de/14793234/pentatrap-quantum-state-mass?c=2249 Geraadpleegd op 07 mei 2020.
2. Schüssler, RX, Bekker, H., Braß, M. et al. Detectie van metastabiele elektronische toestanden door Penning trap massaspectrometrie. Natuur 581, 42-46 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2221-0
3. JabberWok op Engels Q52, 2007. Bohr-atoommodel. [afbeelding online] Verkrijgbaar bij https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bohr_atom_model.svg Toegang gekregen tot 08 mei 2020.
***
