Pentru prima dată, fizicienii au observat formarea moleculelor prin efectul tunel din mecanica cuantică

Chimia necesită efort. Indiferent că este vorba de creșterea temperaturii pentru mărirea șanselor ca atomi compatibili să se ciocnească în urma încălzirii sau de mărirea presiunii pentru a strânge laolaltă acești atomi, construcția moleculelor necesită de obicei un anumit consum de energie.

Teoria cuantică oferă o soluție, dar necesită răbdare.

Recent, o echipă de cercetători de la Universitatea Innsbruck din Austria a observat, în premieră, formarea moleculelor prin efectul tunel din mecanica cuantică într-un experiment unic la nivel mondial care a măsurat legătura ionilor de deuteriu cu moleculele de hidrogen.

Efectul tunel este o ciudatenie a universului cuantic prin care particulele pot depăși obstacole care sunt, de obicei, mult mai greu de trecut decât în mod obișnuit.

În chimie, acest obstacol este energia necesară pentru ca atomii să se lege între ei sau cu moleculele existente.

Credit: pixelparticle/Shutterstock

Teoria cuantică spune că, în cazuri extrem de rare, este posibil ca atomii aflați în imediata apropiere să depașească această barieră energetică și să se lege fără niciun efort.

„Mecanica cuantică permite particulelor să treacă prin bariera energetică datorită proprietății lor de undă cuantică (funcția de undă) și astfel are loc o reacție”, a declarat fizicianul Robert Wild, autorul principal al studiului de la Universitatea din Innsbruck.

Undele cuantice sunt ”fantomele” care guvernează comportamentul obiectelor cum ar fi electronii, fotonii și chiar grupuri întregi de atomi, estompându-le existența înainte de orice observație, astfel încât aceste obiecte nu stau într-un loc precis, ci ocupă un continuum de poziții posibile.

Această estompare este nesemnificativă pentru obiecte mari, cum ar fi molecule, pisici și galaxii. Dar, pe măsură ce încercăm să observăm particule subatomice individuale, gama de posibilități se extinde, forțând stările de localizare ale diferitelor unde cuantice să se suprapună.

Atunci când se întâmplă acest lucru, particulele au o probabilitate mărită să apară acolo unde nu ne-am astepta să fie, pătrunzând în regiuni care, în mod obișnuit, ar necesita o energie mult mai mare a particulelor.

Una dintre acele regiuni pentru un electron s-ar putea afla în zona de legătură a unei reacții chimice, acolo unde atomii și moleculele învecinate se pot lega fără o creștere a căldurii sau presiunii.

Înțelegerea rolului pe care efectul tunel îl are în construirea și rearanjarea moleculelor ar putea avea consecințe importante în calculele eliberării de energie din reacțiile nucleare, cum ar fi cele care implică hidrogenul în stele și reactoarele de fuziune  de aici pe Pământ.

Deși acest fenomen a fost modelat în cazul unor exemple care au implicat reacții între o formă încărcată electric negativ de deuteriu, un izotop de hidrogen care conține un neutron, și dihidrogen sau H2 , demonstrarea experimentală necesită un nivel de precizie provocator.

În acest scop, Wild și colegii săi au răcit ioni negativi de deuteriu până la o temperatură care i-a adus aproape de stagnare înainte de a introduce un gaz format din molecule de hidrogen.

Fără căldură, probabilitatea ca ionul de deuteriu să aibă energia necesară pentru a forța moleculele de hidrogen într-o rearanjare a atomilor era mult mai mica. Cu toate acestea, particulele au avut astfel posibiltatea să stea mai mult timp una lângă alta și să se lege prin efect tunel.

„În experimentul nostru am creat condițiile unor reacții în capcană timp de aproximativ 15 minute și apoi am determinat cantitatea de ioni de hidrogen care s-a format. Din numărul lor am putut deduce cât de des a avut loc o reacție”, a explicat Wild.

Au rezultat puțin mai mult de 5×10^-20 de reacții pe secundă în fiecare centimetru cub sau în jur de un eveniment de tip efect tunel cuantic pentru fiecare o sută de miliarde de coliziuni. Deci, nu au fost multe evenimente de acest fel.

Având în vedere că efectul tunel are un rol destul de important într-o gamă variată de reacții nucleare și chimice, multe dintre ele având loc, probabil, în adâncurile reci ale spațiului, o întelegere mai exactă a factorilor implicați în acest efect cuantic oferă o bază mai solidă previziunile noastre despre aceste reacții.

Această cercetare a fost publicată în Nature.

Traducere după For The First Time Ever, Physicists See Molecules Form Through Quantum Tunneling