Den Forschern des Max-Planck-Instituts für Kernphysik ist es mit der ultrapräzisen Pentatrap-Atomwaage des Heidelberger Instituts gelungen, unendlich kleine Massenänderungen einzelner Atome nach Quantensprüngen von Elektronen im Inneren zu messen.
In der klassischen Mechanik ist die „Masse“ eine wichtige physikalische Eigenschaft jedes Objekts, die sich nicht ändert – das Gewicht ändert sich in Abhängigkeit von der „Beschleunigung durch die Schwerkraft“, aber die Masse bleibt konstant. Dieser Begriff der Massenkonstanz ist eine Grundvoraussetzung in der Newtonschen Mechanik, nicht jedoch in der Quantenwelt.
Die Relativitätstheorie von Einstein gab den Begriff der Masse-Energie-Äquivalenz vor, der im Wesentlichen impliziert, dass die Masse eines Objekts nicht immer konstant bleiben muss; es kann in (eine äquivalente Menge an) Energie umgewandelt werden und umgekehrt. Diese Wechselbeziehung oder Austauschbarkeit von Masse und Energie ineinander ist ein zentrales Denken in der Wissenschaft und wird durch die berühmte Gleichung E=mc2 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 the sub-atomic world, when an electron jumps ‘to’ or ‘from’ one Orbital to another, an amount of energy equivalent to ‘energy level gap’ between the two quantum levels is absorbed or released. Therefore, in line with the formula of mass-energy equivalence, the mass of an 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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