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PENTATRAP misura i cambiamenti nella massa di un atomo quando assorbe e rilascia energia

I ricercatori dell'Istituto Max Planck di fisica nucleare sono riusciti a misurare con successo cambiamenti infinitesimali nella massa atomica massa di singoli atomi che seguono salti quantici di elettroni all'interno utilizzando la bilancia atomica Pentatrap ultra precisa dell'Istituto di Heidelberg.

Nella meccanica classica, il 'massa' è un'importante proprietà fisica di qualsiasi oggetto che non cambia: il peso cambia a seconda dell''accelerazione dovuta alla gravità' ma il massa rimane costante. Questa nozione di costanza della massa è una premessa fondamentale nella meccanica newtoniana, tuttavia non è così nel mondo quantistico.

La teoria della relatività di Einstein diede la nozione di equivalenza massa-energia che sostanzialmente implicava che la massa di un oggetto non deve necessariamente rimanere sempre costante; può essere convertito in (una quantità equivalente di) energia e viceversa. Questa interrelazione o intercambiabilità di massa e energia l'uno nell'altro è uno dei pensieri centrali della scienza ed è dato dalla famosa equazione E=mc2 come un derivato della teoria della relatività ristretta di Einstein dove E è l'energia, m è la massa ec è la velocità della luce nel vuoto.

Questa equazione E=mc2 è in gioco universalmente ovunque, ma si osserva in modo significativo, ad esempio, in atomico reattori in cui la perdita parziale di massa durante la fissione nucleare e le reazioni di fusione nucleare dà origine a grandi quantità di energia.

Nel mondo subatomico, quando un elettrone salta "a" o "da" uno orbitale dall'altro, una quantità di energia equivalente al "gap di livello energetico" tra i due livelli quantistici viene assorbita o rilasciata. Pertanto, in linea con la formula di equivalenza massa-energia, la massa di an atomo dovrebbe aumentare quando assorbe energia e viceversa dovrebbe diminuire quando rilascia energia. Ma il cambiamento nella massa di un atomo dopo le transizioni quantistiche degli elettroni all'interno dell'atomo sarebbe estremamente piccolo da misurare; qualcosa che finora non è stato possibile. Ma non più!

I ricercatori del Max Planck Institute for Nuclear Physics hanno misurato con successo per la prima volta questo cambiamento infinitesimale nella massa dei singoli atomi, forse il punto più alto nella fisica di precisione.

Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori del Max Planck Institute hanno utilizzato l'equilibrio atomico Pentatrap ultra preciso presso l'Istituto di Heidelberg. PENTTRAPPO sta per "spettrometro di massa a trappola di Penning ad alta precisione", una bilancia che può misurare variazioni infinitesimali nella massa di un atomo a seguito di salti quantistici di elettroni all'interno.

PENTATRAP rileva così gli stati elettronici metastabili all'interno degli atomi.

Il rapporto descrive l'osservazione di uno stato elettronico metastabile misurando la differenza di massa tra lo stato fondamentale e quello eccitato nel renio.

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Riferimenti:

1. Max-Planck-Gesellschaft 2020. Sala stampa – Pentatrap misura le differenze di massa tra gli stati quantistici. Inserito il 07 maggio 07, 2020. Disponibile online su https://www.mpg.de/14793234/pentatrap-quantum-state-mass?c=2249 Consultato il 07 maggio 2020.

2. Schüssler, RX, Bekker, H., Braß, M. et al. Rilevazione di stati elettronici metastabili mediante spettrometria di massa Penning trap. Natura 581, 42–46 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2221-0

3. JabberWok in inglese Q52, 2007. Modello atomico di Bohr. [immagine online] Disponibile su https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bohr_atom_model.svg Accesso 08 può 2020.

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