Voor het eerst zien natuurkundigen deeltjes ontstaan ​​door kwantumtunneling: ScienceAlert

Chemie kost moeite. Of het nu gaat om het verhogen van de temperatuur, het vergroten van de kans dat overeenkomende atomen botsen in een hete botsing, of het verhogen van de druk en het samenknijpen ervan, het bouwen van moleculen vereist meestal bepaalde energiekosten.

Kwantumtheorie biedt uitkomst als je geduld hebt. Een team van onderzoekers van de Universiteit van Innsbruck in Oostenrijk heeft eindelijk kwantumtunneling in actie gezien in ’s werelds eerste experiment dat de fusie van deuteriumionen met waterstofmoleculen meet.

Een tunnel is een vreemdheid in het kwantumuniversum waardoor het lijkt alsof deeltjes obstakels kunnen passeren die normaal gesproken moeilijk te overwinnen zijn.

In de chemie is dit obstakel de energie die atomen nodig hebben om met elkaar of met bestaande moleculen te communiceren.

De theorie luidt echter dat het in uiterst zeldzame gevallen mogelijk is dat atomen in de buurt hun weg door deze energiebarrière ’tunnelen’ en zonder enige moeite verbinding maken.

“Kwantummechanica zorgt ervoor dat deeltjes door de energiebarrière kunnen breken vanwege hun kwantummechanische golfeigenschappen, en er vindt interactie plaats,” Hij zegt Eerste auteur Robert Wilde, een experimenteel natuurkundige van de Universiteit van Innsbruck.

Kwantumgolven zijn de geesten die het gedrag van zaken als elektronen, fotonen en zelfs hele groepen atomen aandrijven, hun bestaan ​​vertroebelend vóór enige waarneming, zodat ze niet op een specifieke plaats zitten maar een continuüm van mogelijke posities innemen.

Dit dimmen is niet significant voor grotere objecten zoals deeltjes, katten en sterrenstelsels. Maar als we inzoomen op individuele subatomaire deeltjes, wordt het scala aan mogelijkheden groter, waardoor de locatietoestanden van de verschillende kwantumgolven elkaar moeten overlappen.

Wanneer dat gebeurt, hebben de deeltjes weinig kans om op te duiken waar ze geen werk hebben, of om te tunnelen naar gebieden waar veel kracht nodig is om binnen te komen.

Een van die gebieden van een elektron kan zich binnen het bindingsgebied van een chemische reactie bevinden, waar het naburige atomen en moleculen aan elkaar last zonder door hitte of druk te breken.

Het begrijpen van de rol die kwantumtunneling speelt bij het bouwen en herschikken van moleculen kan belangrijke implicaties hebben voor berekeningen van energie die vrijkomt bij kernreacties, zoals die met waterstof in sterren en fusiereactoren hier op aarde.

terwijl We hebben dit fenomeen gemodelleerd Voor voorbeelden van reacties tussen een negatief geladen vorm van deuterium – een isotoop van waterstof die een neutron bevat – en diwaterstof, of H₂Het experimenteel bewijzen van de getallen vereist een moeilijk niveau van precisie.

Om dit te bereiken, koelden Wilde en zijn collega’s de negatieve deuteriumionen af ​​tot een temperatuur die ze bijna tot stilstand bracht voordat ze een gas introduceerden dat was gemaakt van waterstofmoleculen.

Zonder warmte was de kans dat een deuteriumion de energie verkrijgt die nodig is om waterstofmoleculen te dwingen atomen te herschikken, veel kleiner. Het dwong de deeltjes echter ook om rustig dichter bij elkaar te zitten, waardoor ze meer tijd kregen om zich door de tunnels te binden.

“In ons experiment geven we de potentiële reacties in de val ongeveer 15 minuten en bepalen dan de hoeveelheid gevormde waterstofionen. Uit hun aantal kunnen we afleiden hoe vaak de reactie zal plaatsvinden,” Wilde legt uit.

Dit aantal is iets meer dan 5 x 10^-20 Reacties per seconde die optreden per kubieke centimeter, of ongeveer één tunnelgebeurtenis per honderd miljard botsingen. Dus niet veel. Hoewel de ervaring eerdere modellering ondersteunt, bevestigt dit een criterium dat elders in voorspellingen kan worden gebruikt.

Aangezien tunnels een vrij belangrijke rol spelen in een verscheidenheid aan nucleaire en chemische reacties, waarvan er vele waarschijnlijk ook in de koude diepten van de ruimte zullen plaatsvinden, geeft een goed begrip van de factoren die een rol spelen ons een meer solide basis om te regeren. Onze verwachtingen zijn op.

Dit onderzoek is gepubliceerd in natuur.