Химия требует усилий. Будь то повышение температуры, увеличение вероятности того, что совместимые атомы столкнутся при горячем столкновении, или повышение давления и сжатие их вместе, построение молекул обычно требует определенных затрат энергии.
Квантовая теория предлагает 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 причуда квантовой вселенной, из-за которой кажется, что частицы могут проходить через препятствия, которые обычно слишком трудно преодолеть.
В химии этим препятствием является энергия, необходимая для связи атомов друг с другом или с существующими молекулами.
Тем не менее, теория говорит, что в крайне редких случаях атомы в непосредственной близости могут «туннелировать» свой путь через этот энергетический барьер и соединяться без каких-либо усилий.
«Квантовая механика позволяет частицам преодолевать энергетический барьер благодаря их квантово-механическим волновым свойствам, и происходит реакция», — говорит первый автор Роберт Уайлд, физик-экспериментатор из Университета Инсбрука.
Квантовые волны — это призраки, которые управляют поведением таких объектов, как электроны, фотоны и даже целые группы атомов, размывая их существование перед любым наблюдением, поэтому они не находятся 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 им нечего делать, проникая в области, для проникновения в которые в противном случае потребовалось бы большое усилие.
Одна из таких областей для электрона может находиться в пределах зоны соединения химической реакции, склеивающей соседние атомы и молекулы без взрыва-столкновения 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, например, 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 или H2, экспериментальное доказательство чисел требует сложного уровня точности.
Для этого Уайлд и его коллеги охладили отрицательные ионы дейтерия до температуры, при которой они практически остановились, прежде чем ввести газ, состоящий из молекул водорода.
Без тепла ион дейтерия вряд ли обладал бы энергией, необходимой для того, чтобы заставить молекулы водорода перестроить атомы. Тем не менее, это также заставляло частицы спокойно сидеть рядом друг с другом, давая им больше времени для связи через туннелирование.
«В нашем эксперименте мы даем возможным реакциям в ловушке около 15 минут, а затем определяем количество образовавшихся ионов водорода. По их количеству мы можем определить, как часто происходила реакция», — объясняет Уайлд.
Эта цифра составляет чуть более 5 x 10-20 реакций в секунду, происходящих на каждый кубический сантиметр, или около одного события туннелирования примерно на каждые сто миллиардов столкновений. Так что не много. Хотя эксперимент подтверждает предыдущее моделирование, подтверждая эталон, который можно использовать в прогнозах в других местах.
Учитывая, что туннелирование играет довольно важную роль в разнообразных ядерных и химических реакциях, многие из которых также, вероятно, происходят в холодных глубинах космоса, точное понимание действующих факторов дает нам более прочную основу наши прогнозы дальше.
No comments:
Post a Comment