Les chercheurs de l'Institut Max Planck de physique nucléaire ont réussi à mesurer des changements infinitésimaux dans le masse d'atomes individuels suite à des sauts quantiques d'électrons à l'intérieur en utilisant la balance atomique ultra-précise Pentatrap de l'Institut d'Heidelberg.
En mécanique classique, le 'masse» est une propriété physique importante de tout objet qui ne change pas – le poids change en fonction de « l'accélération due à la gravité », mais le masse reste constant. Cette notion de constance de la masse est une prémisse de base dans la mécanique newtonienne, mais ce n'est pas le cas dans le monde quantique.
La théorie de la relativité d'Einstein a donné la notion d'équivalence masse-énergie qui impliquait fondamentalement que la masse d'un objet ne devait pas toujours rester constante ; il peut être converti en (une quantité équivalente d') énergie et vice versa. Cette inter-relation ou interchangeabilité de la masse et de l'énergie l'une dans l'autre est l'une des idées centrales de la science et est donnée par la célèbre équation E=mc2 en tant que dérivé de la théorie de la relativité restreinte d'Einstein où E est l'énergie, m est la masse et c est la vitesse de la lumière dans le vide.
Cette équation E=mc2 est en jeu partout mais est observé de manière significative, par exemple, dans atomique réacteurs où la perte partielle de masse au cours des réactions de fission nucléaire et de fusion nucléaire donne lieu à une grande quantité d'énergie.
Dans le monde subatomique, lorsqu'un électron saute « vers » ou « depuis » un orbital à l'autre, une quantité d'énergie équivalente à « l'écart de niveau d'énergie » entre les deux niveaux quantiques est absorbée ou libérée. Par conséquent, conformément à la formule d’équivalence masse-énergie, la masse d’un atome devrait augmenter lorsqu'il absorbe de l'énergie et à l'inverse, devrait diminuer lorsqu'il libère de l'énergie. Mais le changement de la masse d'un atome suivant les transitions quantiques des électrons au sein de l'atome serait extrêmement faible à mesurer ; quelque chose qui n'a pas été possible jusqu'à présent. Mais plus maintenant!
Les chercheurs de l'Institut Max Planck de physique nucléaire ont mesuré pour la première fois avec succès ce changement infinitésimal de la masse des atomes individuels, peut-être le point le plus élevé de la physique de précision.
Pour y parvenir, les chercheurs de l'Institut Max Planck ont utilisé la balance atomique ultra-précise Pentatrap de l'Institut de Heidelberg. PENTATRAPE signifie « spectromètre de masse à piège de Penning de haute précision », une balance qui peut mesurer des changements infiniment petits dans la masse d'un atome à la suite de sauts quantiques d'électrons à l'intérieur.
PENTATRAP détecte ainsi des états électroniques métastables au sein des atomes.
Le rapport décrit l'observation d'un état électronique métastable en mesurant la différence de masse entre les états fondamental et excité dans le rhénium.
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Références:
1. Max-Planck-Gesellschaft 2020. Salle de presse – Pentatrap mesure les différences de masse entre les états quantiques. Publié le 07 mai 07, 2020. Disponible en ligne sur https://www.mpg.de/14793234/pentatrap-quantum-state-mass?c=2249 Consulté le 07 mai 2020.
2. Schüssler, RX, Bekker, H., Braß, M. et al. Détection d'états électroniques métastables par spectrométrie de masse à piège de Penning. Nature 581, 42-46 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2221-0
3. JabberWok au Q52 anglais, 2007. Modèle d'atome de Bohr. [image en ligne] Disponible sur https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bohr_atom_model.svg Accéder à 08 May 2020.
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