Når det er frit i et koldt rum, vil molekylet spontant afkøles ved at bremse dets rotation og tabe rotationsenergi i kvanteovergange. Fysikere har vist, at denne rotationsafkølingsproces kan accelereres, bremses eller endda inverteres ved kollisioner af molekyler med omgivende partikler .googletag.cmd.push(function() { googletag.display('div-gpt-ad-1449240174198-2′ });
Forskere ved Max-Planck Institute for Nuclear Physics i Tyskland og Columbia Astrophysical Laboratory gennemførte for nylig et eksperiment, der havde til formål at måle kvanteovergangshastighederne forårsaget af kollisioner mellem molekyler og elektroner. Deres resultater, offentliggjort i Physical Review Letters, giver det første eksperimentelle bevis. af dette forhold, som tidligere kun er blevet estimeret teoretisk.
"Når elektroner og molekylære ioner er til stede i en svagt ioniseret gas, kan den laveste kvanteniveaupopulation af molekyler ændre sig under kollisioner," fortalte Ábel Kálosi, en af forskerne, der udførte undersøgelsen, til Phys.org." Et eksempel på dette processen er i interstellare skyer, hvor observationer viser, at molekyler overvejende er i deres laveste kvantetilstand. Tiltrækningen mellem negativt ladede elektroner og positivt ladede molekylære ioner gør elektronkollisionsprocessen særlig effektiv."
I årevis har fysikere forsøgt teoretisk at bestemme, hvor stærkt frie elektroner interagerer med molekyler under kollisioner og i sidste ende ændrer deres rotationstilstand. Men indtil videre er deres teoretiske forudsigelser ikke blevet testet i eksperimentelle omgivelser.
"Indtil nu er der ikke foretaget målinger for at bestemme gyldigheden af ændringen i rotationsenerginiveauer for en given elektrontæthed og temperatur," forklarer Kálosi.
For at indsamle denne måling bragte Kálosi og hans kolleger isolerede ladede molekyler i tæt kontakt med elektroner ved temperaturer omkring 25 Kelvin. Dette tillod dem eksperimentelt at teste teoretiske antagelser og forudsigelser skitseret i tidligere værker.
I deres eksperimenter brugte forskerne en kryogen lagerring ved Max-Planck Institute for Nuclear Physics i Heidelberg, Tyskland, designet til arts-selektive molekylære ionstråler. I denne ring bevæger molekyler sig i racerbanelignende baner i et kryogent volumen, der er stort set tømt for eventuelle andre baggrundsgasser.
"I en kryogen ring kan lagrede ioner afkøles strålingsmæssigt til ringvæggenes temperatur, hvilket giver ioner fyldt på de laveste få kvanteniveauer," forklarer Kálosi." Kryogene lagringsringe er for nylig blevet bygget i flere lande, men vores anlæg er den eneste udstyret med en specialdesignet elektronstråle, der kan rettes i kontakt med molekylære ioner. Ionerne opbevares i flere minutter i denne ring, en laser bruges til at undersøge rotationsenergien af molekylære ioner."
Ved at vælge en specifik optisk bølgelængde til sin probelaser kunne holdet ødelægge en lille del af de lagrede ioner, hvis deres rotationsenerginiveauer matchede den bølgelængde. De opdagede derefter fragmenter af de forstyrrede molekyler for at opnå såkaldte spektrale signaler.
Holdet indsamlede deres målinger i nærvær og fravær af elektronkollisioner. Dette gjorde det muligt for dem at detektere ændringer i den vandrette population under de lave temperaturforhold, der var fastsat i eksperimentet.
"For at måle processen med rotationstilstandsskiftende kollisioner er det nødvendigt at sikre, at der kun er det laveste rotationsenerginiveau i den molekylære ion," sagde Kálosi." Derfor skal molekylære ioner i laboratorieforsøg holdes i ekstremt koldt volumener, ved brug af kryogen afkøling til temperaturer et godt stykke under stuetemperatur, som ofte er tæt på 300 Kelvin. I dette volumen kan molekyler isoleres fra allestedsnærværende molekyler, infrarød termisk stråling af vores miljø."
I deres eksperimenter var Kálosi og hans kolleger i stand til at opnå eksperimentelle forhold, hvor elektronkollisioner dominerer strålingsovergange. Ved at bruge nok elektroner kunne de indsamle kvantitative målinger af elektronkollisioner med CH+ molekylære ioner.
"Vi fandt ud af, at den elektroninducerede rotationsovergangshastighed matcher tidligere teoretiske forudsigelser," sagde Kálosi. "Vores målinger giver den første eksperimentelle test af eksisterende teoretiske forudsigelser. Vi forventer, at fremtidige beregninger vil fokusere mere på de mulige effekter af elektronkollisioner på de laveste energiniveaupopulationer i kolde, isolerede kvantesystemer."
Ud over at bekræfte teoretiske forudsigelser i eksperimentelle omgivelser for første gang, kan det seneste arbejde fra denne gruppe af forskere have vigtige forskningsmæssige implikationer. For eksempel tyder deres resultater på, at måling af den elektroninducerede ændringshastighed i kvanteenerginiveauer kunne være afgørende, når man analyserer de svage signaler fra molekyler i rummet, detekteret af radioteleskoper eller kemisk reaktivitet i tynde og kolde plasmaer.
I fremtiden kan dette papir bane vejen for nye teoretiske undersøgelser, der nærmere overvejer effekten af elektronkollisioner på besættelsen af rotationskvanteenerginiveauer i kolde molekyler. Dette kunne hjælpe med at finde ud af, hvor elektronkollisioner har den stærkeste effekt, hvilket gør det er muligt at udføre mere detaljerede forsøg på området.
"I den kryogene lagringsring planlægger vi at introducere mere alsidig laserteknologi til at undersøge rotationsenerginiveauerne for mere diatomiske og polyatomiske molekylære arter," tilføjer Kálosi. . Laboratoriemålinger af denne type vil fortsat blive suppleret, især inden for observationsastronomi ved hjælp af kraftfulde observatorier såsom Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array i Chile. ”
Brug venligst denne formular, hvis du støder på stavefejl, unøjagtigheder eller ønsker at sende en redigeringsanmodning for indholdet på denne side.For generelle forespørgsler, brug venligst vores kontaktformular.For generel feedback, brug venligst den offentlige kommentarsektion nedenfor (følg venligst retningslinjerne).
Din feedback er vigtig for os. På grund af mængden af beskeder garanterer vi dog ikke individuelle svar.
Din e-mailadresse bruges kun til at lade modtagerne vide, hvem der har sendt e-mailen. Hverken din adresse eller modtagerens adresse vil blive brugt til andre formål. De oplysninger, du indtaster, vil fremgå af din e-mail og vil ikke blive opbevaret af Phys.org i evt. form.
Få ugentlige og/eller daglige opdateringer leveret til din indbakke. Du kan til enhver tid afmelde dig, og vi deler aldrig dine oplysninger med tredjeparter.
Denne hjemmeside bruger cookies til at hjælpe med navigation, analysere din brug af vores tjenester, indsamle data til annonceringstilpasning og tjene indhold fra tredjeparter. Ved at bruge vores hjemmeside anerkender du, at du har læst og forstået vores privatlivspolitik og vilkår for brug.
Indlægstid: 28-jun-2022