Komik Fizikçi, atomik "aşk" ı ve mutlak sıfıra yakın molekül "parçalanmasını" gözlemliyor
Yaz geldi ve Çin'de her yerde yangınlar var. Şu anda, eğer bir şişe buzlu içecek içebilirseniz, bu kesinlikle sıcak havayı geçici olarak rahatlatacaktır.
biliyor musun? Fizikçilerin gözünde buz aslında yeterince soğuk değil, çok sıcak denilebilir.
Oda sıcaklığında su sıvıdır çünkü su moleküllerinin çok fazla enerjisi vardır ve etrafta dolaşırlar.
Buzdolabında sıcaklık sıfırın altına düştüğünde su moleküllerinin enerjisi biraz azalır. Moleküller arası kuvvetlerin kontrolü altında kimse ortalıkta koşamaz. Sonuç olarak, su buz haline geldi.
Yüzeyde buzdaki su molekülleri sessizdir. Aslında, hala yüksek enerjiye sahiptirler. Etrafta koşamasalar da, kendilerini eğlendirmenin çeşitli yolları vardır.
Molekülleri olabildiğince az tutmak istiyorsanız, moleküllerin enerjisini almak için sıcaklığı düşürmeye devam etmelisiniz. Sıcaklık -273.15 ° C'ye düşürülebilirse, teorik olarak, tüm atomlar ve moleküller termal hareketi durduracaktır. Bu, bir maddenin ulaşabileceği en düşük sıcaklıktır, dolayısıyla buna mutlak sıfır denir. Çünkü fizikçilerin gözünde mutlak sıfır, gerçek sıfırdır.
Mutlak sıfıra ulaştıktan sonra atom hareket edemez, bilimsel araştırmalar için çok uygun değil mi? Bu fikre dayanarak, son yıllarda bilim adamları disiplinler arası bir konuyu serbest bıraktılar: ultra soğuk kuantum kimyası.
Temmuz 2017'de, Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'nden Profesör Pan Jianwei ve meslektaşları Zhao Bo, Chen Yuao, vb. Nature Physics dergisinde deneysel bir makale yayınladılar ve mutlak sıfıra yakın atomlar arasındaki "aşkı" gözlemlemekten bahsettiler ( Molekülleri birleştirme davranışı) ve molekülleri "parçalama" (başka bir molekül haline gelmek için reaksiyona girme).
300.000 sodyum atomu ve 160.000 potasyum atomunun sıcaklığını 0.0000005 derecenin mutlak sıfırın (500nK) üstüne düşürmek için lazer soğutma ve buharlaştırmalı soğutma kullandılar ve ardından lazerle yapılan bir "çukur" a hapsedildiler.
Hem sodyum hem de potasyum atomları alkali metaller olsalar da, atomlar arasındaki van der Waals kuvvetinin etkisiyle karşılaştıklarında, küçük kıvılcımları da silerek zayıf bağlı bir molekül oluşturacaklardır.
Normal sıcaklıklarda (sıfır derece Santigrat gibi), sodyum atom buharının enerjisi çok yüksektir ve hareket hızı saniyede 400 metreyi geçebilir, bu da sivil uçakların hızından daha hızlıdır. Potasyum atomlarıyla kıvılcım çıksa bile, onu sürdüremez.
Sıcaklık, mutlak sıfırın üzerine 0.0000005 santigrat dereceye (500nK) düşürülürse, sodyum atomlarının enerjisi büyük ölçüde azalacak ve hareket hızı, salyangoz sürünmesi kadar yavaş olan 0.02 m / s'ye düşecektir.
Ancak fizikçiler atomların ve moleküllerin sıcaklığını yaz ortasında serinliğin tadını çıkarmalarına izin vermeyecek kadar düşürdüler. Aksine, üçüncü bir taraf aracılığıyla müdahale etmeli, onları acımasızca sökmeli ve kimyasal reaksiyonun her adımını gözlemlemelisiniz.
Üçüncü tarafın dahil olduğu bu kimyasal reaksiyon basitçe AB + C olarak yazılabilir. > AC + B. A bir sodyum atomu olduğunda, B -5/2 spinli bir potasyum atomudur ve C, -3/2 spinli bir potasyum atomudur. Başka bir deyişle, bir potasyum atomu, zayıf bağlanmış moleküldeki orijinal potasyum atomunun yerini alır.
Bu üçüncü tarafın müdahalesinin cevabı basit görünüyor, ancak çok büyük bir avantajı var.
Önceki aşırı soğuk kuantum kimyası deneylerinde, bilim adamları reaksiyonun ürünlerini doğrudan göremiyorlardı. Çünkü birçok kimyasal reaksiyon büyük miktarda enerji açığa çıkarır. Başlangıçta, ultra düşük sıcaklıktaki atomlar ve moleküller çukura hapsedilir, ancak yeterli enerjiye sahip olduklarında, çok uzağa uçacaklar ve bilim adamlarının kontrolünden kaçacaklar.
Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'ndeki bu deneyde, bilim adamları ayrıca çukurun etrafında manyetik bir alan oluşturdular. Sodyum potasyum molekülleri potasyum atomları ile reaksiyona girdiğinde açığa çıkan enerji, manyetik alan tarafından ayarlanabilen manyetik alanın boyutu ile ilgilidir. Bilim adamları, manyetik alanı yaklaşık 130 Gauss'a (dünyanın manyetik alanının 200 katından fazlasına eşdeğer) ayarladılar, böylece reaksiyonları mümkün olduğunca az enerji açığa çıkardı, böylece reaksiyon ürünleri kaçamaz ve ölçüm için bekleyemez.
Bu deney sayesinde bilim adamları, 10.000 çift zayıf bağlı sodyum ve potasyum molekülünün üçüncü bir taraf tarafından adım adım nasıl parçalandığını ve ardından 2 milisaniye içinde yeni nesnelere nasıl yeniden birleştirildiğini doğru bir şekilde gözlemlediler.
Sadece mikroskobik bir reaksiyon kanalının tam reaksiyon ürününü ilk kez gözlemlemekle kalmadılar ve ürün üretiminin kinetik sürecini ölçmekle kalmadılar ve ilk kez ultra-soğuk kimyasal reaksiyonların davranışını ürünün evrimine göre kalibre edebildiler.
Oda sıcaklığında her kimyasal reaksiyonun çok sayıda farklı mikroskobik kanal içerdiği anlaşılmalıdır. Kimyagerler yalnızca genel bir ortalama yapabilir ve kuantum fiziğinin temel teorilerinden kesin hesaplamalar yapmayı bırakın, deneydeki her ayrıntıyı keşfedemezler.
Mutlak sıfıra yakın, atomlar tek bir kuantum halinde dondurulur. Takip edecekleri çok rutinleri yok, ancak en basit biçimde çarpışabilirler ve fizikçilerin belirlediği şekilde bir durumdan diğerine dönüşebilirler. Bu nedenle, fizikçiler tüm sürecin gözlemlenmesi ve analizi konusunda çok nettir. Bu, aşırı soğuk bir kimyasal reaksiyonda ilk kez durumdan duruma bir kimyasal reaksiyon gözlemlendi.
Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'nin ultra soğuk moleküler laboratuvarının orijinal tasarım fikri, kimyager W. Stwalley tarafından yaklaşık yarım yüzyıl önce 1970'lerde ortaya atılan teorik tahminlerden kaynaklandı. Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'nden bilim adamları sıfırdan başlayıp üç buçuk yıl geçirdiler, deneysel platformu kişisel olarak tasarlayıp inşa ettikten sonra, mevcut deneysel sonuçlara sadece yarım yılda ulaştılar.
Bu deneyin başarısı, kimyasal reaksiyon kinetiğinin deneysel araştırmasını kuantum seviyesine itti. "Nature · Physics" dergisinin eleştirmeni, "Bu çalışma, ultra soğuk kimya alanında önemli bir kilometre taşıdır ve kimya ve fizik araştırmacıları için geniş bir ilgi alanına sahip olacaktır." Dedi.
Editörün Notu
Bilim adamları yeni ultra-soğuk kuantum kimyası konusuyla neden ilgileniyor?
Örneğin, evrende doğal olarak var olan en düşük sıcaklık, mutlak sıfırdan yalnızca yaklaşık 3 derece daha yüksektir, o zaman sıcaklık bundan daha düşük olduğunda kimyasal reaksiyon nasıl gerçekleşir? Bilim adamları da bu konuda net değiller. Çünkü moleküler gazı bu kadar düşük bir sıcaklığa soğutmak aslında çok zordur.
Teorik fizikçi bir zamanlar böyle bir örnek vermişti: Feshbach rezonansı adı verilen moleküller arasında bir tür zayıf kuantum fenomeni var. Kuantum fiziği teorisi bir zamanlar böyle yüzlerce rezonans olabileceğini tahmin etmişti. Ancak oda sıcaklığında veya normal düşük sıcaklıkta, sıcaklık yeterince düşük olmadığı için moleküler çarpışma kanalları eşitlenecek ve sonuç olarak bu kuantum fenomeninin neredeyse hiçbiri deneyde gözlenemeyecektir.
Bununla birlikte, moleküler gazın sıcaklığı ultra düşük sıcaklığın altına düştüğünde ( < mK), moleküller arasında yalnızca en basit kanalın (S dalgası veya P dalgası) çarpışmasına izin verilir, bu nedenle teorik analiz büyük ölçüde basitleştirilmiştir.
Klasik mekanik perspektifinden, sıcaklık mutlak sıfıra ulaştığında kimyasal reaksiyon meydana gelmeyecektir. Bununla birlikte, kuantum mekaniğinin ilkelerine göre, kimyasal reaksiyonlar yine de mutlak sıfırda etkili bir şekilde ilerleyebilir.
Bu nedenle, kuantum kimyası teorilerinin geliştirilmesi ve daha karmaşık doğal ve canlı sistemlerde kuantum etkilerinin anlaşılması için ultra düşük sıcaklıklarda deneysel araştırma ve moleküler reaksiyonların teorik keşfi çok gereklidir.
Referanslar:
1. https://arxiv.org/abs/0809.3920
2. https://arxiv.org/abs/1111.4608
3. J. Rui ve diğerleri. Ultra soğuk bir atom-dimer karışımında kontrollü durumdan duruma atom değişim reaksiyonu, Nature Physics, Cilt 13, 699 (2017)
4. Bai Ze, ultra soğuk atomlar ve moleküller karışımında durumdan duruma kimyasal reaksiyonların gözlemlenmesi.
Mozi Salon
Bilim dünyasının parçalarını ve parçalarını birlikte paylaşın
