Zvážíme energii

11.5.2020
Citace:
Schüssler, R.X., Bekker, H., Braß, M. et al. Detection of metastable electronic states by Penning trap mass spectrometry. Nature 581, 42–46 (2020), doi: 10.1038/s41586-020-2221-0
Zdroj
Extrémně přesný hmotnostní spektrometr systému Pentatrap, foto MPI für Kernphysik.

Extrémně přesným vážením iontů lze zjistit rozdíl hmotnosti mezi excitovaným a základním stavem atomu. Vezmeme-li atom nebo ion a elektromagnetickým zářením zvedneme některý z jeho elektronů na vyšší energetickou hladinu, bude excitovaná částice vážit více přes v souladu s Einsteinovým vztah E = mc2. Při dodání energie E ztěžkne o hmotnost E/c2. Konkrétní měření proběhlo s kationtem rhenia z jehož 75 elektronů chybělo 29. Šlo o kation Re29+ s nevídaně silným kladným nábojem, který vydrží jen ve velmi hlubokém vakuu. Pohlcení rentgenovým záření o frekvenci 49,6 petahertzu (pHz) přešel do excitovaného stavu. Předpona peta, zkráceně p značí 1015 obdobně jako kilo značí 103 a mega 106. Ion rhenia tím ztěžknul o zhruba 5 x 10-29 kg, což je podstatně méně než klidová hmotnost protonu.

K měření na zařízení Pentatrap potřebujeme silné magnetické pole, které dodávají supravodivé magnety chlazené na teplotu blízkou absolutní nule. Zařízení vidíme na obrázku, foto MPI für Kernphysik.Obtížnost měření připodobňuje první autorka publikace R.X. Schüssler z Max-Planck-Institut für Kernphysik v Heidelbergu: „Vážením šestitunového slona jsme dokázali zjistit, zda po něm běží deseti miligramový mravenec.“ Ke zjištění této extrémně malé hmotnosti nevystačíme s obyčejnými vahami, byť sebepřesnějšími, Musíme užít speciální metodu zvanou hmotnostní spektrometrie (angl. mass spectrometry), a to ještě velmi přesném uspořádání tzv. Pentatrap (Pětipast). Metoda spočívá v určení hmotnosti podle velikosti zakřivení dráhy nabité částice v magnetickém poli. Pentatrap tvoří pět tzv. Penningových pastí (angl.Penning trap), ve kterých je magnetické pole nastaveno tak, aby ionty obíhaly po kruhové dráze. Porovnání rychlostí kruhového pohybu iontů v základním a excitovaném stavu určíme hmotnostní přírůstek vyvolaný dodanou energií. Mimochodem vědci zjistili, že excitovaný kation Re29+ vydrží 130 dní, což je nečekaně dlouhá doba.

Popsaný výzkum má smysl pro konstrukci přesnějších a odolnějších atomových hodin, které lépe fungují s ionty s vysokým nábojem. Standardní spektroskopické metody nejsou pro určení přechodů elektronů v iontech vhodných pro takové atomové hodiny dostatečně přesné. Nicméně excitace pomocí rentgenových paprsků představuje zásadní problém při konstrukci atomových hodin, takže popsaná metoda poslouží spíše k výzkumným účelům při hledání vhodných systémů s nižší aktivační energií.

 
Odeslat komentář k článku "Zvážíme energii "



Opište text z obrázku:

Odeslat článek "Zvážíme energii " e-mailem

Diskuse/Aktualizace