Когато е свободна в студено пространство, молекулата спонтанно ще се охлади, като забави въртенето си и загуби ротационна енергия при квантови преходи. Физиците са показали, че този процес на въртеливо охлаждане може да бъде ускорен, забавен или дори обърнат от сблъсъци на молекули с околните частици .googletag.cmd.push(function() { googletag.display('div-gpt-ad-1449240174198-2'); });
Изследователи от Института за ядрена физика Макс-Планк в Германия и Колумбийската астрофизична лаборатория наскоро проведоха експеримент, насочен към измерване на скоростите на квантов преход, причинени от сблъсъци между молекули и електрони. Техните открития, публикувани в Physical Review Letters, предоставят първите експериментални доказателства от това съотношение, което преди е било оценявано само теоретично.
„Когато електрони и молекулни йони присъстват в слабо йонизиран газ, популацията от молекули на най-ниското квантово ниво може да се промени по време на сблъсъци“, каза Абел Калози, един от изследователите, провели изследването, пред Phys.org.“ Пример за това процесът е в междузвездните облаци, където наблюденията показват, че молекулите са предимно в най-ниските си квантови състояния. Привличането между отрицателно заредени електрони и положително заредени молекулни йони прави процеса на сблъсък на електрони особено ефективен.
В продължение на години физиците се опитват да определят теоретично колко силно свободните електрони взаимодействат с молекулите по време на сблъсъци и в крайна сметка променят своето ротационно състояние. Въпреки това, досега техните теоретични прогнози не са тествани в експериментална среда.
„Досега не са правени измервания за определяне на валидността на промяната в нивата на енергия на въртене за дадена електронна плътност и температура“, обяснява Калоси.
За да съберат това измерване, Kálosi и колегите му доведоха изолирани заредени молекули в близък контакт с електрони при температури около 25 Келвина. Това им позволи да тестват експериментално теоретични допускания и прогнози, очертани в предишни работи.
В своите експерименти изследователите са използвали криогенен пръстен за съхранение в Института за ядрена физика Макс-Планк в Хайделберг, Германия, предназначен за селективни по видове молекулни йонни лъчи. В този пръстен молекулите се движат в орбити, подобни на състезателна писта, в криогенен обем, който е до голяма степен изпразнен от всякакви други фонови газове.
„В криогенен пръстен, съхраняваните йони могат да бъдат радиационно охладени до температурата на стените на пръстена, като се получават йони, запълнени на най-ниските няколко квантови нива“, обяснява Kálosi. Криогенни пръстени за съхранение наскоро бяха изградени в няколко страни, но нашето съоръжение е единственият оборудван със специално проектиран електронен лъч, който може да бъде насочен в контакт с молекулни йони. Йоните се съхраняват за няколко минути в този пръстен, използва се лазер за изследване на ротационната енергия на молекулните йони.
Избирайки конкретна оптична дължина на вълната за своя сонда лазер, екипът може да унищожи малка част от съхранените йони, ако техните нива на ротационна енергия съвпадат с тази дължина на вълната. След това те откриват фрагменти от разрушените молекули, за да получат така наречените спектрални сигнали.
Екипът събра своите измервания при наличие и отсъствие на сблъсъци на електрони. Това им позволи да открият промени в хоризонталната популация при условията на ниска температура, определени в експеримента.
„За да се измери процесът на сблъсъци, променящи състоянието на въртене, е необходимо да се гарантира, че има само най-ниското ниво на ротационна енергия в молекулния йон“, каза Калоси. „Следователно, в лабораторни експерименти, молекулните йони трябва да се държат на изключително студено обеми, използвайки криогенно охлаждане до температури доста под стайната температура, която често е близо до 300 Келвина. В този том молекулите могат да бъдат изолирани от вездесъщите молекули, инфрачервеното топлинно излъчване на нашата среда.
В своите експерименти Kálosi и колегите му успяха да постигнат експериментални условия, при които електронните сблъсъци доминират радиационните преходи. Използвайки достатъчно електрони, те можеха да съберат количествени измервания на електронни сблъсъци с CH+ молекулни йони.
„Открихме, че индуцираната от електрони скорост на ротационен преход съвпада с предишни теоретични прогнози“, каза Калоси. „Нашите измервания осигуряват първия експериментален тест на съществуващите теоретични прогнози. Очакваме, че бъдещите изчисления ще се фокусират повече върху възможните ефекти от сблъсъци на електрони върху популациите с най-ниско енергийно ниво в студени, изолирани квантови системи.
В допълнение към потвърждаването на теоретичните прогнози в експериментална среда за първи път, скорошната работа на тази група изследователи може да има важни изследователски последици. Например, техните открития предполагат, че измерването на индуцираната от електрони скорост на промяна в квантовите енергийни нива може да бъде от решаващо значение при анализиране на слабите сигнали на молекули в космоса, открити от радиотелескопи или химическа реактивност в тънка и студена плазма.
В бъдеще тази статия може да проправи пътя за нови теоретични изследвания, които разглеждат по-отблизо ефекта от сблъсъците на електрони върху заемането на ротационни квантови енергийни нива в студени молекули. Това може да помогне да се разбере къде сблъсъците на електрони имат най-силен ефект, правейки е възможно да се проведат по-подробни експерименти в полето.
„В криогенния пръстен за съхранение планираме да въведем по-универсална лазерна технология за изследване на ротационните енергийни нива на повече двуатомни и многоатомни молекулни видове“, добавя Kálosi. . Лабораторните измервания от този тип ще продължат да се допълват, особено в наблюдателната астрономия, използвайки мощни обсерватории като Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array в Чили. ”
Моля, използвайте този формуляр, ако срещнете правописни грешки, неточности или искате да изпратите заявка за редактиране на съдържанието на тази страница. За общи запитвания, моля, използвайте нашата форма за контакт. За обща обратна връзка, моля, използвайте секцията за обществени коментари по-долу (моля, следвайте насоките).
Вашата обратна връзка е важна за нас. Въпреки това, поради обема на съобщенията, ние не гарантираме индивидуални отговори.
Вашият имейл адрес се използва само за да уведоми получателите кой е изпратил имейла. Нито вашият адрес, нито адресът на получателя ще бъдат използвани за други цели. Информацията, която въвеждате, ще се появи във вашия имейл и няма да бъде запазена от Phys.org по никакъв начин форма.
Получавайте седмични и/или ежедневни актуализации във входящата си поща. Можете да се отпишете по всяко време и ние никога няма да споделяме вашите данни с трети страни.
Този уебсайт използва бисквитки, за да подпомага навигацията, да анализира използването от ваша страна на нашите услуги, да събира данни за персонализиране на рекламите и да предоставя съдържание от трети страни. Използвайки нашия уебсайт, вие потвърждавате, че сте прочели и разбрали нашата Политика за поверителност и Условия за ползване.
Време на публикуване: 28 юни 2022 г