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 logrado medir con éxito cambios infinitesimalmente pequeños en la masa de átomos individuales tras saltos cuánticos de electrones en su interior, utilizando la balanza atómica Pentatrap de ultraprecisión del Instituto en Heidelberg.

En la mecánica clásica, la masa es una propiedad física fundamental de cualquier objeto que permanece invariable: el peso varía según la aceleración debida a la gravedad, pero la masa se mantiene constante. Esta noción de constancia de la masa es una premisa básica en la mecánica newtoniana, pero no en la mecánica cuántica.

La teoría de la relatividad de Einstein introdujo el concepto de equivalencia masa-energía, que básicamente implica que la masa de un objeto no tiene por qué permanecer constante; puede convertirse en energía (en una cantidad equivalente) y viceversa. Esta interrelación o intercambiabilidad entre masa y energía es un principio fundamental de la ciencia y se expresa mediante la famosa ecuación E=mc², derivada de la teoría especial de la relatividad de Einstein, donde E es la energía, m es la masa y c es la velocidad de la luz en el vacío.

Esta ecuación E=mc² está presente universalmente en todas partes, pero se observa de manera significativa, por ejemplo, en los reactores atómicos, donde la pérdida parcial de masa durante las reacciones de fisión nuclear y fusión nuclear da lugar a una enorme cantidad de energía.

En el mundo subatómico, cuando un electrón salta de un orbital a otro, absorbe o libera una cantidad de energía equivalente a la diferencia de energía entre ambos niveles cuánticos. Por lo tanto, según la fórmula de equivalencia masa-energía, la masa de un átomo debería aumentar al absorber energía y, a la inversa, disminuir al liberarla. Sin embargo, el cambio en la masa de un átomo tras las transiciones cuánticas de los electrones dentro del átomo sería extremadamente pequeño para medirlo; algo que hasta ahora no había sido posible. ¡Pero eso está a punto de cambiar!

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 lograrlo, los investigadores del Instituto Max Planck utilizaron la balanza atómica Pentatrap de ultraprecisión del Instituto en Heidelberg. PENTATRAP son las siglas de "espectrómetro de masas de trampa de Penning de alta precisión", una balanza que puede medir cambios infinitesimalmente pequeños en la masa de un átomo tras 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 7 de mayo de 2020. Disponible en línea en https://www.mpg.de/14793234/pentatrap-quantum-state-mass?c=2249 . Consultado el 7 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 atómico de Bohr. [imagen en línea] Disponible en https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bohr_atom_model.svg . Consultado el 08 de mayo de 2020.

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