Коли молекула вільна в холодному просторі, вона спонтанно охолоне, уповільнюючи своє обертання та втрачаючи обертальну енергію під час квантових переходів. Фізики показали, що цей обертальний процес охолодження може бути прискорений, уповільнений або навіть інвертований зіткненнями молекул з оточуючими частинками .googletag.cmd.push(function() { googletag.display('div-gpt-ad-1449240174198-2′); });
Дослідники з Інституту ядерної фізики Макса Планка в Німеччині та Колумбійської астрофізичної лабораторії нещодавно провели експеримент, спрямований на вимірювання швидкості квантового переходу, викликаного зіткненнями між молекулами та електронами. Їхні висновки, опубліковані в Physical Review Letters, надають перші експериментальні докази цього співвідношення, яке раніше було оцінено лише теоретично.
«Коли електрони та молекулярні іони присутні в слабоіонізованому газі, популяція молекул найнижчого квантового рівня може змінюватися під час зіткнень», — сказав Phys.org Абель Калосі, один із дослідників, які проводили дослідження. «Приклад цього процес відбувається в міжзоряних хмарах, де спостереження показують, що молекули перебувають переважно у своїх найнижчих квантових станах.Притягання між негативно зарядженими електронами та позитивно зарядженими молекулярними іонами робить процес зіткнення електронів особливо ефективним».
Протягом багатьох років фізики намагалися теоретично визначити, наскільки сильно вільні електрони взаємодіють з молекулами під час зіткнень і в кінцевому підсумку змінюють їхній обертальний стан. Однак поки що їхні теоретичні передбачення не були перевірені в експериментальній установці.
«Дотепер не було проведено жодних вимірювань, щоб визначити достовірність зміни рівнів енергії обертання для даної електронної густини та температури», — пояснює Калосі.
Щоб зібрати ці вимірювання, Калосі та його колеги привели ізольовані заряджені молекули в тісний контакт з електронами при температурах близько 25 Кельвінів. Це дозволило їм експериментально перевірити теоретичні припущення та передбачення, викладені в попередніх роботах.
У своїх експериментах дослідники використовували кріогенне накопичувальне кільце в Інституті ядерної фізики Макса Планка в Гейдельберзі, Німеччина, призначене для селективних пучків молекулярних іонів. У цьому кільці молекули рухаються по орбітах, схожих на іподром, у кріогенному об’ємі, який значною мірою звільняється від будь-яких інших фонових газів.
«У кріогенному кільці накопичені іони можуть бути радіаційно охолоджені до температури стінок кільця, утворюючи іони, заповнені на найнижчих квантових рівнях», — пояснює Калосі. «Кріогенні накопичувальні кільця нещодавно були побудовані в кількох країнах, але наш завод є єдиний, оснащений спеціально розробленим електронним пучком, який можна спрямувати на контакт з молекулярними іонами.Іони зберігаються протягом кількох хвилин у цьому кільці, лазер використовується для опитування енергії обертання молекулярних іонів».
Вибравши конкретну оптичну довжину хвилі для свого зондуючого лазера, команда могла знищити невелику частку накопичених іонів, якщо їхні рівні енергії обертання відповідали цій довжині хвилі. Потім вони виявили фрагменти порушених молекул, щоб отримати так звані спектральні сигнали.
Команда зібрала свої вимірювання за наявності та відсутності електронних зіткнень. Це дозволило їм виявити зміни в горизонтальній популяції в умовах низької температури, встановлених в експерименті.
«Щоб виміряти процес обертальних зіткнень, що змінюють стан, необхідно переконатися, що в молекулярному іоні є лише найнижчий рівень обертальної енергії», — сказав Калосі. «Отже, у лабораторних експериментах молекулярні іони повинні зберігатися в надзвичайно холодному місці. об’ємів, використовуючи кріогенне охолодження до температур, значно нижчих кімнатної, яка часто наближається до 300 Кельвінів.У цьому обсязі можна виділити молекули з всюдисущих молекул, інфрачервоного теплового випромінювання нашого середовища».
У своїх експериментах Калосі та його колеги змогли досягти експериментальних умов, у яких зіткнення електронів домінують над радіаційними переходами. Використовуючи достатню кількість електронів, вони могли збирати кількісні вимірювання зіткнень електронів із молекулярними іонами CH+.
«Ми виявили, що швидкість обертального переходу, спричинена електронами, відповідає попереднім теоретичним прогнозам», — сказав Калосі. «Наші вимірювання є першою експериментальною перевіркою існуючих теоретичних прогнозів.Ми очікуємо, що майбутні розрахунки будуть більше зосереджені на можливих впливах зіткнень електронів на населення найнижчого енергетичного рівня в холодних ізольованих квантових системах».
Окрім підтвердження теоретичних прогнозів вперше в експериментальних умовах, нещодавня робота цієї групи дослідників може мати важливі дослідницькі наслідки. Наприклад, їхні висновки свідчать про те, що вимірювання індукованої електронами швидкості зміни квантових рівнів енергії може бути має вирішальне значення при аналізі слабких сигналів молекул у космосі, виявлених радіотелескопами, або хімічної реактивності в тонкій і холодній плазмі.
У майбутньому ця стаття може прокласти шлях для нових теоретичних досліджень, які більш детально розглядають вплив зіткнень електронів на заповнення обертальних рівнів квантової енергії в холодних молекулах. Це може допомогти з’ясувати, де зіткнення електронів мають найсильніший вплив, роблячи можна проводити більш детальні експерименти в польових умовах.
«У кріогенному накопичувальному кільці ми плануємо запровадити більш універсальну лазерну технологію для дослідження рівнів енергії обертання більшої кількості двоатомних і багатоатомних молекулярних форм», — додає Калосі. «Це відкриє шлях для досліджень зіткнень електронів з використанням великої кількості додаткових молекулярних іонів. .Лабораторні вимірювання цього типу й надалі будуть доповнюватися, особливо в спостережній астрономії з використанням потужних обсерваторій, таких як Атакамська велика міліметрова/субміліметрова матриця в Чилі.»
Будь ласка, скористайтеся цією формою, якщо ви зіткнулися з орфографічними помилками, неточностями або хочете надіслати запит на редагування вмісту цієї сторінки. Для загальних запитів скористайтеся нашою контактною формою. Для загального відгуку скористайтеся розділом загальнодоступних коментарів нижче (дотримуйтесь керівні принципи).
Ваш відгук важливий для нас. Однак через велику кількість повідомлень ми не гарантуємо індивідуальні відповіді.
Ваша адреса електронної пошти використовується лише для того, щоб повідомити одержувачам, хто надіслав електронний лист. Ні ваша адреса, ні адреса одержувача не використовуватимуться з будь-якою іншою метою. Інформація, яку ви введете, з’явиться у вашій електронній пошті та не зберігатиметься Phys.org ні в якому разі форму.
Отримуйте щотижневі та/або щоденні оновлення на свою поштову скриньку. Ви можете будь-коли скасувати підписку, і ми ніколи не передамо ваші дані третім особам.
Цей веб-сайт використовує файли cookie, щоб допомогти з навігацією, аналізувати використання вами наших послуг, збирати дані для персоналізації реклами та надавати вміст від третіх сторін. Використовуючи наш веб-сайт, ви підтверджуєте, що прочитали та зрозуміли нашу Політику конфіденційності й Умови використання.
Час публікації: 28 червня 2022 р