Физики впервые увидели формирование частиц посредством квантового туннелирования: ScienceAlert

Химия требует усилий. Будь то повышение температуры, увеличение вероятности столкновения совпадающих атомов при горячем столкновении или повышение давления и сжатие их вместе, построение молекул обычно требует определенных затрат энергии.

Квантовая теория предлагает решение, если вы проявите терпение. Группа исследователей из Университета Инсбрука в Австрии наконец-то увидела квантовое туннелирование в действии в первом в мире эксперименте по измерению слияния ионов дейтерия с молекулами водорода.

Туннель — это странность в квантовой вселенной, из-за которой кажется, что частицы могут проходить через препятствия, которые обычно было бы трудно преодолеть.

В химии этим препятствием является энергия, необходимая для связи атомов друг с другом или с существующими молекулами.

Однако теория гласит, что в крайне редких случаях атомы могут «туннелировать» свой путь через этот энергетический барьер и соединяться без каких-либо усилий.

«Квантовая механика позволяет частицам преодолевать энергетический барьер благодаря их квантово-механическим волновым свойствам, и происходит взаимодействие», Он говорит Первый автор Роберт Уайльд, физик-экспериментатор из Университета Инсбрука.

Квантовые волны — это призраки, которые управляют поведением таких вещей, как электроны, фотоны и даже целые группы атомов, стирая их существование перед любым наблюдением, поэтому они не сидят в каком-то конкретном месте, а занимают континуум возможных положений.

Это затемнение несущественно для более крупных объектов, таких как частицы, кошки и галактики. Но по мере того, как мы приближаемся к отдельным субатомным частицам, диапазон возможностей расширяется, заставляя места расположения различных квантовых волн перекрываться.

Когда это происходит, у частиц мало шансов появиться там, где у них нет работы, или туннелировать в области, для проникновения в которые потребуется большое усилие.

Одна из таких областей электрона может находиться в области связывания химической реакции, где он соединяет соседние атомы и молекулы вместе, не разрушаясь под действием тепла или давления.

Понимание роли, которую квантовое туннелирование играет в построении и перестройке молекул, может иметь важные последствия для расчетов выделения энергии в ядерных реакциях, например, с участием водорода в звездах и термоядерных реакторах здесь, на Земле.

пока Мы смоделировали это явление Например, включающие реакции между отрицательно заряженной формой дейтерия — изотопа водорода, содержащего нейтрон — и диводородом, или H₂Доказательство чисел экспериментально требует сложного уровня точности.

Для этого Уайльд и его коллеги охладили отрицательные ионы дейтерия до температуры, при которой они остановились, прежде чем ввести газ, состоящий из молекул водорода.

Без тепла вероятность того, что ион дейтерия получит энергию, необходимую для того, чтобы заставить молекулы водорода перестроить атомы, была намного ниже. Однако это также заставляло частицы тихо сидеть ближе друг к другу, давая им больше времени для связи через туннели.

«В нашем эксперименте мы даем потенциальным реакциям в ловушке около 15 минут, а затем определяем количество образовавшихся ионов водорода. По их количеству мы можем сделать вывод, как часто будет происходить реакция», Уайльд объясняет.

Это число чуть больше 5 х 10^-20 Реакций в секунду, происходящих на кубический сантиметр, или примерно одно событие туннелирования на сто миллиардов столкновений. Так что немного. Хотя опыт поддерживает предыдущее моделирование, подтверждая критерий, который можно использовать в прогнозах в других местах.

Поскольку туннели играют довольно важную роль во множестве ядерных и химических реакций, многие из которых, вероятно, также происходят в холодных глубинах космоса, точное понимание действующих факторов дает нам более прочную основу для правил. наши ожидания дальше.

Это исследование было опубликовано в природа.