Den Forschern des Max-Planck-Instituts für Kernphysik ist es gelungen, die unendlich kleine Änderung in der Atommasse zu messen Masse einzelner Atome nach Quantensprüngen von Elektronen im Inneren mithilfe der hochpräzisen Pentatrap-Atomwaage am Institut in Heidelberg.
In der klassischen Mechanik ist das 'Masse' ist eine wichtige physikalische Eigenschaft jedes Objekts, die sich nicht ändert – das Gewicht ändert sich abhängig von der „Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft“, aber die Masse bleibt konstant. Dieser Begriff der Massenkonstanz ist eine Grundvoraussetzung der Newtonschen Mechanik, nicht jedoch in der Quantenwelt.
Einsteins Relativitätstheorie brachte den Begriff der Masse-Energie-Äquivalenz hervor, der im Grunde implizierte, dass die Masse eines Objekts nicht immer konstant bleiben muss; es kann in (eine äquivalente Menge) Energie umgewandelt werden und umgekehrt. Diese Wechselbeziehung oder Austauschbarkeit von Masse und Energie Ineinander ist eines der zentralen Denkweisen in der Wissenschaft und wird durch die berühmte Gleichung E=mc gegeben2 als Ableitung von Einsteins spezieller Relativitätstheorie, wobei E Energie, m Masse und c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist.
Diese Gleichung E=mc2 ist überall überall im Spiel, wird aber deutlich beobachtet, zum Beispiel in Atom- Reaktoren, in denen durch einen teilweisen Masseverlust bei Kernspaltungs- und Kernfusionsreaktionen enorme Energiemengen erzeugt werden.
In der subatomaren Welt, wenn ein Elektron „zu“ oder „von“ einem springt Orbital Zum anderen wird eine Energiemenge absorbiert oder freigesetzt, die der „Energieniveaulücke“ zwischen den beiden Quantenniveaus entspricht. Daher ist im Einklang mit der Formel der Masse-Energie-Äquivalenz die Masse eines Atom sollte zunehmen, wenn sie Energie aufnimmt und umgekehrt, sollte abnehmen, wenn sie Energie abgibt. Aber die Änderung der Masse eines Atoms nach Quantenübergängen von Elektronen innerhalb des Atoms wäre extrem klein zu messen; etwas, das bisher nicht möglich war. Aber nicht mehr!
Den Forschern des Max-Planck-Instituts für Kernphysik ist es erstmals gelungen, diese verschwindend kleine Änderung der Masse einzelner Atome, den möglicherweise höchsten Punkt der Präzisionsphysik, zu messen.
Dafür nutzten die Forscher des Max-Planck-Instituts die ultrapräzise Pentatrap-Atomwaage des Heidelberger Instituts. Pentatrap steht für "High-Precision Penning Trap Massenspektrometer", eine Waage, die winzig kleine Veränderungen der Masse eines Atoms nach Quantensprüngen von Elektronen im Inneren messen kann.
Damit erkennt PENTATRAP metastabile elektronische Zustände innerhalb von Atomen.
Der Bericht beschreibt die Beobachtung eines metastabilen elektronischen Zustands durch Messung der Massendifferenz zwischen dem Grund- und dem angeregten Zustand in Rhenium.
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References:
1. Max-Planck-Gesellschaft 2020. Newsroom – Pentatrap misst Massenunterschiede zwischen Quantenzuständen. Veröffentlicht am 07. Mai, 07. Mai 2020. Online verfügbar unter https://www.mpg.de/14793234/pentatrap-quantum-state-mass?c=2249 Zugriff am 07. Mai 2020.
2. Schüssler, RX, Bekker, H., Braß, M. et al. Nachweis metastabiler elektronischer Zustände durch Penningfallen-Massenspektrometrie. Natur 581, 42–46 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2221-0
3. JabberWok im englischen Q52, 2007. Bohr-Atommodell. [Bild online] Erhältlich unter https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bohr_atom_model.svg Auf 08 kann 2020 zugreifen.
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