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PENTATRAP mide los cambios en la masa de un átomo cuando absorbe y libera energía

Los investigadores del Instituto Max Planck de Física Nuclear han medido con éxito cambios infinitamente pequeños en la masa de átomos individuales tras saltos cuánticos de electrones en su interior utilizando la balanza atómica ultraprecisa Pentatrap en el Instituto de Heidelberg.

En la mecánica clásica, el 'masa' es una propiedad física importante de cualquier objeto que no cambia: el peso cambia dependiendo de la 'aceleración debida a la gravedad', pero la masa permanece constante. Esta noción de constancia de la masa es una premisa básica en la mecánica newtoniana, sin embargo, no así en el mundo cuántico.

La teoría de la relatividad de Einstein dio la noción de equivalencia masa-energía que básicamente implicaba que la masa de un objeto no necesita permanecer constante siempre; se puede convertir en (una cantidad equivalente de) energía y viceversa. Esta interrelación o intercambiabilidad de masa y energía entre sí es una de las ideas centrales de la ciencia y viene dada por la famosa ecuación E=mc2 como un derivado de la teoría de la relatividad especial de Einstein donde E es energía, m es masa yc es la velocidad de la luz en el vacío.

Esta ecuación E = mc2 está en juego universalmente en todas partes, pero se observa significativamente, por ejemplo, en atómico reactores donde la pérdida parcial de masa durante la fisión nuclear y las reacciones de fusión nuclear dan lugar a una gran cantidad de energía.

En el mundo subatómico, cuando un electrón salta "hacia" o "desde" uno orbital para otro, se absorbe o libera una cantidad de energía equivalente a la "brecha de niveles de energía" entre los dos niveles cuánticos. Por lo tanto, de acuerdo con la fórmula de equivalencia masa-energía, la masa de un átomo debe aumentar cuando absorbe energía y, a la inversa, debe disminuir cuando libera energía. Pero el cambio en la masa de un átomo que sigue a las transiciones cuánticas de los electrones dentro del átomo sería extremadamente pequeño de medir; algo que no ha sido posible hasta ahora. ¡Pero ya no más!

Los investigadores del Instituto Max Planck de Física Nuclear han medido con éxito este cambio infinitesimalmente pequeño en la masa de átomos individuales por primera vez, posiblemente el punto más alto en física de precisión.

Para lograr esto, los investigadores del Instituto Max Planck utilizaron el balance atómico ultrapreciso de Pentatrap en el Instituto en Heidelberg. PENTATRAMPA significa 'espectrómetro de masas de trampa Penning de alta precisión', una balanza que puede medir cambios infinitesimalmente pequeños en la masa de un átomo siguiendo saltos cuánticos de electrones en su interior.

PENTATRAP detecta así estados electrónicos metaestables dentro de los átomos.

El informe describe la observación de un estado electrónico metaestable midiendo la diferencia de masa entre el suelo y los estados excitados en el renio.

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Referencias:

1. Max-Planck-Gesellschaft 2020. Sala de prensa - Pentatrap mide las diferencias de masa entre estados cuánticos. Publicado el 07 de mayo de 07. Disponible en línea en https://www.mpg.de/14793234/pentatrap-quantum-state-mass?c=2249 Consultado el 07 de mayo de 2020.

2. Schüssler, RX, Bekker, H., Braß, M. et al. Detección de estados electrónicos metaestables mediante espectrometría de masas con trampa de Penning. Nature 581, 42–46 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2221-0

3. JabberWok en English Q52, 2007. Modelo de átomo de Bohr. [imagen en línea] Disponible en https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bohr_atom_model.svg Accedido a 08 en mayo 2020.

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Equipo SCIEU
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