لأول مرة على الإطلاق ، يرى الفيزيائيون أن الجزيئات تتشكل من خلال نفق الكم: ScienceAlert

الكيمياء تتطلب جهدا. سواء كان ذلك عن طريق رفع درجة الحرارة ، أو زيادة احتمالات اصطدام الذرات المتوافقة في تصادم ساخن ، أو زيادة الضغط والضغط عليهم معًا ، فإن بناء الجزيئات يتطلب عادةً تكلفة معينة في الطاقة.

توفر نظرية الكم حلاً إذا كنت صبوراً. وقد رأى فريق من الباحثين من جامعة إنسبروك في النمسا أخيرًا النفق الكمومي قيد التنفيذ في أول تجربة في العالم تقيس اندماج أيونات الديوتيريوم مع جزيئات الهيدروجين.

النفق هو غرابة في الكون الكمومي يجعل الأمر يبدو كما لو أن الجسيمات يمكن أن تمر عبر عقبات يصعب التغلب عليها في العادة.

في الكيمياء ، هذه العقبة هي الطاقة اللازمة للذرات لتتواصل مع بعضها البعض ، أو مع الجزيئات الموجودة.

ومع ذلك ، تقول النظرية أنه في حالات نادرة للغاية ، من الممكن للذرات القريبة من “ النفق ” طريقها عبر حاجز الطاقة هذا والاتصال دون أي جهد.

“تسمح ميكانيكا الكم للجسيمات باختراق حاجز الطاقة بسبب خواصها الموجية الميكانيكية الكمومية ، ويحدث التفاعل ،” يقول المؤلف الأول روبرت وايلد ، فيزيائي تجريبي من جامعة إنسبروك.

الموجات الكمومية هي الأشباح التي تحرك سلوك الأشياء مثل الإلكترونات والفوتونات وحتى مجموعات كاملة من الذرات ، مما يؤدي إلى طمس وجودها قبل أي ملاحظة ، لذا فهي لا تجلس في أي مكان محدد ولكنها تحتل سلسلة متصلة من المواضع المحتملة.

هذا التعتيم غير مهم بالنسبة للأجسام الأكبر مثل الجزيئات والقطط والمجرات. ولكن بينما نقوم بالتكبير على الجسيمات دون الذرية الفردية ، يتسع نطاق الاحتمالات ، مما يجبر حالات الموقع لمختلف الموجات الكمومية على التداخل.

عندما يحدث ذلك ، فإن الجسيمات لديها فرصة ضئيلة للظهور حيث لا يوجد لها عمل ، أو حفر الأنفاق في المناطق التي تتطلب قدرًا كبيرًا من القوة للدخول.

قد تكون إحدى تلك المناطق للإلكترون داخل منطقة الترابط الخاصة بتفاعل كيميائي ، حيث تقوم بلحام الذرات والجزيئات المجاورة معًا دون انكسار الحرارة أو الضغط.

يمكن أن يكون لفهم الدور الذي تلعبه النفق الكمي في بناء الجزيئات وإعادة ترتيبها تداعيات مهمة في حسابات إطلاق الطاقة في التفاعلات النووية ، مثل تلك التي تنطوي على الهيدروجين في النجوم ومفاعلات الاندماج هنا على الأرض.

بينما لقد قمنا بنمذجة هذه الظاهرة للحصول على أمثلة تتضمن تفاعلات بين شكل سالب الشحنة من الديوتيريوم – وهو نظير للهيدروجين يحتوي على نيوترون – وثنائي الهيدروجين أو H₂، إثبات الأرقام تجريبيًا يتطلب مستوى صعبًا من الدقة.

لإنجاز ذلك ، قام وايلد وزملاؤه بتبريد أيونات الديوتيريوم السالبة إلى درجة حرارة جعلتها قريبة من التوقف التام قبل إدخال غاز مصنوع من جزيئات الهيدروجين.

بدون حرارة ، كان احتمال حصول أيون الديوتيريوم على الطاقة اللازمة لإجبار جزيئات الهيدروجين على إعادة ترتيب الذرات أقل بكثير. ومع ذلك ، فقد أجبر أيضًا الجسيمات على الجلوس بهدوء بالقرب من بعضها البعض ، مما منحها مزيدًا من الوقت للترابط عبر الأنفاق.

“في تجربتنا ، نعطي التفاعلات المحتملة في المصيدة حوالي 15 دقيقة ثم نحدد كمية أيونات الهيدروجين المتكونة. ومن عددها ، يمكننا استنتاج عدد مرات حدوث التفاعل ،” يشرح وايلد.

هذا الرقم يزيد قليلاً عن 5 × 10^-20 ردود الفعل في الثانية التي تحدث في كل سنتيمتر مكعب ، أو حوالي حدث نفق واحد لكل مائة مليار تصادم. لذلك ليس كثيرًا. على الرغم من أن التجربة تدعم النمذجة السابقة ، مما يؤكد معيارًا يمكن استخدامه في التنبؤات في مكان آخر.

نظرًا لأن الأنفاق تلعب دورًا مهمًا إلى حد ما في مجموعة متنوعة من التفاعلات النووية والكيميائية ، والتي من المحتمل أيضًا أن يحدث الكثير منها في الأعماق الباردة للفضاء ، فإن الحصول على قبضة دقيقة على العوامل المؤثرة يمنحنا أساسًا أكثر صلابة للقاعدة. توقعاتنا على.

تم نشر هذا البحث في طبيعة.