Физики впервые увидели, как молекулы формируются посредством квантового туннелирования
Химия требует усилий. Будь то повышение температуры, увеличение вероятности того, что совместимые атомы столкнутся при горячем столкновении, или повышение давления и их сжатие, построение молекул обычно требует определенных затрат энергии.
Квантовая теория. предоставляет обходной путь, если вы терпеливы. А 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.
Туннелирование — это квантовая причуда. Вселенная, в которой кажется, что частицы могут проходить через препятствия, которые обычно слишком трудно преодолеть.
В химии это препятствие представляет собой энергию, необходимую для связи атомов друг с другом или с существующими молекулами.
p>
Однако теория утверждает, что в крайне редких случаях атомы, находящиеся в непосредственной близости, могут «туннелировать» свой путь через этот энергетический барьер и соединяться без каких-либо усилий.
«Квантовая механика позволяет частицам пробить энергетический барьер из-за своих квантово-механических волновых свойств, и происходит реакция», — говорит первый автор Роберт Уайлд, физик-экспериментатор из Университета Инсбрука.
Квантовые волны — это призраки, которые управляют поведение таких объектов, как электроны, фотоны и даже целые группы атомов размывают свое существование перед любым наблюдением, поэтому они не сидят в каком-то одном конкретном месте, а занимают континуум возможных положений.
Это размытие незначительно для более крупных объектов, таких как молекулы, кошки , и галактики. Но по мере того, как мы приближаем отдельные субатомные частицы, диапазон возможностей расширяется, заставляя состояния местоположения различных квантовых волн перекрываться.
Когда это происходит, частицы имеют небольшой шанс появиться там, где они не нужны. существо, туннелируя в области, для проникновения в которые в противном случае потребовалось бы большое усилие.
Одна из этих областей для электрона может находиться в зоне связывания химической реакции, соединяя соседние атомы и молекулы без взрыв-столкновение-столкновение тепла или давления.
Понимание роли, которую квантовое туннелирование играет в построении и перегруппировке молекул, может иметь важные последствия в расчетах выделения энергии в ядерных реакциях, таких как реакции с участием водорода. в звездах и термоядерных реакторах здесь, на Земле.
Хотя мы смоделировали это явление для примеров, включающих реакции между отрицательно заряженной формой дейтерия — изотопа водорода, содержащего нейтрон, — и диводородом r H2, экспериментальное доказательство чисел требует высокого уровня точности.
Чтобы достичь этого, Уайлд и его коллеги охладили отрицательные ионы дейтерия до температуры, близкой к пауза перед введением газа, состоящего из молекул водорода.
Без тепла ион дейтерия с гораздо меньшей вероятностью обладал бы энергией, необходимой для принуждения молекул водорода к перегруппировке атомов. Тем не менее, это также заставляло частицы спокойно сидеть рядом друг с другом, давая им больше времени для соединения через туннелирование.
«В нашем эксперименте мы даем возможным реакциям в ловушке около 15 минут, а затем определяем количество Образовались ионы водорода. По их количеству мы можем определить, как часто происходила реакция», — объясняет Уайлд.
Эта цифра составляет немногим более 5 x 10-20 реакций в секунду. место в каждом кубическом сантиметре, или около одного события туннелирования примерно на каждые сто миллиардов столкновений. Так что не много. Хотя эксперимент действительно поддерживает предыдущее моделирование, подтверждая эталон, который можно использовать в прогнозах в других местах.
Данное туннелирование играет довольно важную роль в разнообразных ядерных и химических реакциях, многие из которых также вероятны. чтобы произойти в холодных глубинах космоса, точное понимание действующих факторов дает нам более прочную основу для наших прогнозов.
Это исследование было опубликовано в Nature.
