نجح الباحثون في معهد ماكس بلانك للفيزياء النووية في قياس التغيرات الصغيرة للغاية في كتلة الذرات الفردية التي تتبع القفزات الكمومية للإلكترونات في الداخل باستخدام ميزان بنتاتراب الذري فائق الدقة في المعهد في هايدلبرغ.
في الميكانيكا الكلاسيكية، تُعدّ " الكتلة " خاصية فيزيائية مهمة لأي جسم، وهي خاصية ثابتة؛ إذ يتغير الوزن تبعًا لتسارع الجاذبية الأرضية، بينما تبقى الكتلة ثابتة. يُعدّ مفهوم ثبات الكتلة هذا فرضية أساسية في الميكانيكا النيوتونية، إلا أنه ليس كذلك في عالم الكم.
قدمت نظرية النسبية لأينشتاين مفهوم تكافؤ الكتلة والطاقة، والذي يعني أساسًا أن كتلة الجسم لا تبقى ثابتة دائمًا؛ إذ يمكن تحويلها إلى طاقة (كمية مكافئة) والعكس صحيح. تُعد هذه العلاقة المتبادلة أو قابلية تبادل الكتلة والطاقة من الأفكار المحورية في العلوم، وتُعبر عنها المعادلة الشهيرة E=mc² ، وهي مشتقة من نظرية النسبية الخاصة لأينشتاين، حيث E هي الطاقة، وm هي الكتلة، وc هي سرعة الضوء في الفراغ.
هذه المعادلة E=mc 2 موجودة بشكل عالمي في كل مكان ولكنها تُلاحظ بشكل كبير، على سبيل المثال، في المفاعلات الذرية حيث يؤدي الفقدان الجزئي للكتلة أثناء تفاعلات الانشطار النووي والاندماج النووي إلى كمية هائلة من الطاقة.
في عالم الجسيمات دون الذرية، عندما ينتقل الإلكترون من مدار إلى آخر، يمتص أو يطلق كمية من الطاقة تعادل فجوة الطاقة بين المستويين الكميين. لذا، ووفقًا لمعادلة تكافؤ الكتلة والطاقة، من المفترض أن تزداد كتلة الذرة عند امتصاصها للطاقة، وأن تنقص عند إطلاقها لها. لكن التغير في كتلة الذرة الناتج عن انتقالات الإلكترونات الكمومية داخلها كان ضئيلاً للغاية بحيث يصعب قياسه، وهو أمر لم يكن ممكنًا حتى الآن. لكن هذا أصبح ممكنًا الآن!
نجح الباحثون في معهد ماكس بلانك للفيزياء النووية في قياس هذا التغيير الصغير للغاية في كتلة الذرات الفردية لأول مرة ، وربما كانت أعلى نقطة في الفيزياء الدقيقة.
لتحقيق ذلك، استخدم الباحثون في معهد ماكس بلانك ميزان بنتاتراب الذري فائق الدقة الموجود في المعهد بمدينة هايدلبرغ. بنتاتراب اختصار لـ "مطياف كتلة مصيدة بنينغ عالي الدقة"، وهو ميزان قادر على قياس التغيرات المتناهية الصغر في كتلة الذرة نتيجةً للقفزات الكمومية للإلكترونات داخله.
وهكذا يكتشف PENTATRAP الحالات الإلكترونية الثابتة داخل الذرات.
يصف التقرير ملاحظة حالة إلكترونية غير مستقرة عن طريق قياس فرق الكتلة بين الأرض والحالات المثارة في الرينيوم.
***
المراجع:
١. جمعية ماكس بلانك ٢٠٢٠. غرفة الأخبار - جهاز بنتاتراب يقيس الاختلافات في الكتلة بين الحالات الكمومية. نُشر بتاريخ ٧ مايو ٢٠٢٠. متاح على الإنترنت على الرابط التالي: https://www.mpg.de/14793234/pentatrap-quantum-state-mass?c=2249 تم الاطلاع عليه بتاريخ ٧ مايو ٢٠٢٠.
2. شوسلر، آر إكس، وبيكر، إتش، وبراس، إم، وآخرون. الكشف عن الحالات الإلكترونية شبه المستقرة باستخدام مطيافية الكتلة في مصيدة بنينغ. نيتشر 581، 42-46 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2221-0
3. JabberWok في English Q52، 2007. نموذج بور الذري. [صورة متاحة على الإنترنت] على الرابط التالي: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bohr_atom_model.svg تاريخ الوصول: 08 مايو 2020.
***
