Physiker sehen zum ersten Mal, wie sich Teilchen durch Quantentunneln bilden: ScienceAlert

Chemie braucht Anstrengung. Ob durch Erhöhen der Temperatur, Erhöhen der Wahrscheinlichkeit, dass zusammenpassende Atome bei einer heißen Kollision kollidieren, oder Erhöhen des Drucks und Zusammendrücken der Moleküle, der Aufbau von Molekülen erfordert normalerweise einen bestimmten Energieaufwand.

Die Quantentheorie bietet eine Lösung, wenn Sie geduldig sind. Ein Forscherteam der Universität Innsbruck in Österreich hat im weltweit ersten Experiment, das die Fusion von Deuteriumionen mit Wasserstoffmolekülen misst, endlich Quantentunneln in Aktion gesehen.

Ein Tunnel ist eine Seltsamkeit im Quantenuniversum, die den Anschein erweckt, als könnten Teilchen Hindernisse passieren, die normalerweise schwer zu überwinden wären.

In der Chemie ist dieses Hindernis die Energie, die Atome benötigen, um miteinander oder mit bestehenden Molekülen zu kommunizieren.

Die Theorie besagt jedoch, dass es Atomen in extrem seltenen Fällen möglich ist, sich ihren Weg durch diese Energiebarriere zu „tunneln“ und sich ohne Anstrengung zu verbinden.

„Die Quantenmechanik lässt Teilchen aufgrund ihrer quantenmechanischen Welleneigenschaften die Energiebarriere durchbrechen, und es findet eine Wechselwirkung statt“, sagen Erstautor Robert Wilde, Experimentalphysiker der Universität Innsbruck.

Quantenwellen sind die Geister, die das Verhalten von Dingen wie Elektronen, Photonen und sogar ganzen Atomgruppen antreiben und ihre Existenz vor jeder Beobachtung verwischen, sodass sie nicht an einem bestimmten Ort sitzen, sondern ein Kontinuum möglicher Positionen einnehmen.

Dieses Dimmen ist für größere Objekte wie Teilchen, Katzen und Galaxien nicht signifikant. Aber wenn wir auf einzelne subatomare Teilchen zoomen, erweitert sich der Bereich der Möglichkeiten, wodurch sich die Ortszustände der verschiedenen Quantenwellen überlappen.

Wenn das passiert, haben die Partikel kaum eine Chance, dort aufzutauchen, wo sie keine Arbeit haben, oder in Bereiche zu tunneln, die viel Kraft erfordern würden, um einzudringen.

Einer dieser Bereiche eines Elektrons könnte sich im Bindungsbereich einer chemischen Reaktion befinden, wo es benachbarte Atome und Moleküle miteinander verschweißt, ohne durch Hitze oder Druck zu brechen.

Das Verständnis der Rolle des Quantentunnelns beim Aufbau und der Neuanordnung von Molekülen könnte wichtige Auswirkungen auf die Berechnungen der Energiefreisetzung bei Kernreaktionen haben, wie z. B. bei Wasserstoff in Sternen und Fusionsreaktoren hier auf der Erde.

während Wir haben dieses Phänomen modelliert Beispiele für Reaktionen zwischen einer negativ geladenen Form von Deuterium – einem Wasserstoffisotop, das ein Neutron enthält – und Diwasserstoff oder H₂Der experimentelle Nachweis der Zahlen erfordert ein schwieriges Maß an Präzision.

Um dies zu erreichen, kühlten Wilde und seine Kollegen die negativen Deuterium-Ionen auf eine Temperatur ab, die sie fast zum Stillstand brachte, bevor sie ein Gas aus Wasserstoffmolekülen einleiteten.

Ohne Wärme war die Wahrscheinlichkeit, dass ein Deuteriumion die Energie aufbringt, die nötig ist, um Wasserstoffmoleküle dazu zu zwingen, Atome neu anzuordnen, viel geringer. Es zwang die Partikel jedoch auch dazu, ruhig näher beieinander zu sitzen, was ihnen mehr Zeit gab, sich durch die Tunnel zu verbinden.

„In unserem Experiment geben wir den möglichen Reaktionen in der Falle etwa 15 Minuten Zeit und bestimmen dann die Menge der gebildeten Wasserstoffionen. Aus ihrer Anzahl können wir ableiten, wie oft die Reaktion stattfinden wird.“ Wilde erklärt.

Diese Zahl ist knapp über 5 x 10^-20 Reaktionen pro Sekunde, die pro Kubikzentimeter auftreten, oder etwa ein Tunnelereignis pro hundert Milliarden Kollisionen. Also nicht viel. Obwohl die Erfahrung die frühere Modellierung unterstützt, bestätigt sie ein Kriterium, das an anderer Stelle in Vorhersagen verwendet werden kann.

Da Tunnel bei einer Vielzahl von nuklearen und chemischen Reaktionen eine ziemlich wichtige Rolle spielen, von denen viele wahrscheinlich auch in den kalten Tiefen des Weltraums ablaufen, gibt uns ein genaues Verständnis der beteiligten Faktoren eine solidere Grundlage für die Herrschaft. Unsere Erwartungen sind auf.

Diese Forschung wurde in veröffentlicht Natur.