Po raz pierwszy fizycy widzą, jak cząstki powstają poprzez tunelowanie kwantowe: ScienceAlert

Chemia wymaga wysiłku. Niezależnie od tego, czy podnosi się temperaturę, zwiększa prawdopodobieństwo zderzenia atomów w gorącym zderzeniu, czy zwiększa ciśnienie i ściska je razem, budowanie cząsteczek zwykle wymaga pewnego kosztu energii.

Teoria kwantowa zapewnia rozwiązanie, jeśli jesteś cierpliwy. Zespół naukowców z Uniwersytetu w Innsbrucku w Austrii w końcu zobaczył tunelowanie kwantowe w akcji w pierwszym na świecie eksperymencie mierzącym fuzję jonów deuteru z cząsteczkami wodoru.

Tunel to dziwność we wszechświecie kwantowym, która sprawia, że ​​wydaje się, że cząstki mogą przechodzić przez przeszkody, które normalnie byłyby trudne do pokonania.

W chemii przeszkodą tą jest energia potrzebna atomom do komunikowania się ze sobą lub z istniejącymi cząsteczkami.

Teoria głosi jednak, że w niezwykle rzadkich przypadkach atomy w pobliżu mogą „tunelować” swoją drogę przez tę barierę energetyczną i łączyć się bez żadnego wysiłku.

„Mechanika kwantowa pozwala cząstkom przebić się przez barierę energetyczną ze względu na ich właściwości fal kwantowo-mechanicznych i zachodzi interakcja” On mówi Pierwszy autor Robert Wilde, fizyk doświadczalny z Uniwersytetu w Innsbrucku.

Fale kwantowe to duchy, które kierują zachowaniem rzeczy takich jak elektrony, fotony, a nawet całe grupy atomów, zacierając ich istnienie przed jakąkolwiek obserwacją, więc nie siedzą w żadnym konkretnym miejscu, ale zajmują kontinuum możliwych pozycji.

To przyciemnienie nie ma znaczenia dla większych obiektów, takich jak cząstki, koty i galaktyki. Ale gdy przybliżamy poszczególne cząstki subatomowe, zakres możliwości poszerza się, zmuszając stany miejscowe różnych fal kwantowych do nakładania się.

Kiedy tak się dzieje, cząsteczki mają niewielkie szanse na pojawienie się tam, gdzie nie mają pracy, lub tunelowanie w obszary, do których wejście wymagałoby dużej siły.

Jeden z tych obszarów elektronu może znajdować się w obszarze wiązania reakcji chemicznej, gdzie spaja ze sobą sąsiednie atomy i cząsteczki bez przebijania się przez ciepło lub ciśnienie.

Zrozumienie roli, jaką tunelowanie kwantowe odgrywa w budowaniu i przestawianiu cząsteczek, może mieć ważne implikacje dla obliczeń uwalniania energii w reakcjach jądrowych, takich jak te z udziałem wodoru w gwiazdach i reaktorach termojądrowych na Ziemi.

chwila Modelowaliśmy to zjawisko Przykłady obejmujące reakcje między ujemnie naładowaną postacią deuteru – izotopem wodoru zawierającym neutron – a diwodorem lub H₂Eksperymentalne udowodnienie liczb wymaga trudnego poziomu precyzji.

Aby to osiągnąć, Wilde i jego współpracownicy schłodzili ujemne jony deuteru do temperatury, która prawie je zatrzymała, zanim wprowadzili gaz składający się z cząsteczek wodoru.

Bez ciepła prawdopodobieństwo, że jon deuteru uzyska energię potrzebną do zmuszenia cząsteczek wodoru do przegrupowania atomów, było znacznie mniejsze. Jednak zmusiło to również cząsteczki do cichego siedzenia bliżej siebie, dając im więcej czasu na związanie się przez tunele.

„W naszym eksperymencie dajemy potencjalnym reakcjom w pułapce około 15 minut, a następnie określamy ilość powstałych jonów wodorowych. Z ich liczby możemy wywnioskować, jak często reakcja będzie zachodziła” Wilde wyjaśnia.

Ta liczba to nieco ponad 5 x 10^-20 Reakcje na sekundę, które zachodzą na centymetr sześcienny, czyli mniej więcej jedno zdarzenie tunelowania na sto miliardów kolizji. Więc niewiele. Chociaż doświadczenie wspiera wcześniejsze modelowanie, potwierdzając kryterium, które można wykorzystać w prognozach gdzie indziej.

Ponieważ tunele odgrywają dość ważną rolę w różnych reakcjach jądrowych i chemicznych, z których wiele prawdopodobnie zachodzi również w zimnych głębinach kosmosu, dokładne zrozumienie występujących czynników daje nam solidniejsze podstawy do rządzenia. Nasze oczekiwania są włączone.

Badanie to zostało opublikowane w Natura.