Kuantum mekaniği, kuantum mekaniksel dalga özellikleri sayesinde parçacıkların enerji bariyerini (duvarı) aşmasına izin verir ve bir reaksiyon meydana gelir. Kredi: Universität Innsbruck/Harald Ritsch
Moleküler kimyada tünel açma reaksiyonlarını modellemek için buluş.
Kimyada tünel açma reaksiyonlarını tahmin etmek çok zordur. Üçten fazla parçacıklı kimyasal reaksiyonların kuantum mekaniksel olarak kesin tanımı zordur, dörtten fazla parçacıklı ise neredeyse imkansızdır. Teorisyenler bu reaksiyonları klasik fizikle simüle eder ve kuantum etkilerini ihmal etmelidir. Ancak kimyasal reaksiyonların yalnızca yaklaşık değerler sağlayabilen bu klasik tanımının sınırı nerede?
Innsbruck Üniversitesi İyon Fiziği ve Uygulamalı Fizik Bölümü’nden Roland Wester uzun süredir bu sınırı keşfetmek istiyor. Deneysel fizikçi, “Çok hassas ölçümlere izin veren ve yine de kuantum-mekanik olarak tanımlanabilen bir deney gerektiriyor” diyor. Wester, “Fikir 15 yıl önce ABD’deki bir konferansta bir meslektaşımla yaptığım konuşmada aklıma geldi” diye hatırlıyor. Çok basit bir reaksiyonda kuantum mekaniksel tünel etkisinin izini sürmek istedi.
Tünel etkisi, reaksiyonu çok düşük ihtimalli ve dolayısıyla yavaş hale getirdiğinden, deneysel gözlemi olağanüstü derecede zordu. Ancak birkaç denemeden sonra, Wester’ın ekibi Nature dergisinin son sayısında bildirdiği gibi, şimdi tam da bunu ilk kez yapmayı başardı.
15 yıllık araştırmanın ardından çığır açan buluş
Roland Wester’ın ekibi, deneyleri için evrendeki en basit element olan hidrojeni seçti. Bir hidrojen izotopu olan döteryumu bir iyon tuzağına soktular, onu soğuttular ve ardından tuzağı hidrojen gazıyla doldurdular. Çok düşük sıcaklıklar nedeniyle, negatif yüklü döteryum iyonları, hidrojen molekülleri ile geleneksel şekilde reaksiyona girecek enerjiden yoksundur. Ancak çok nadir durumlarda, ikisi çarpıştığında bir reaksiyon meydana gelir.
Buna tünel etkisi neden olur: “Kuantum mekaniği, kuantum mekaniksel dalga özellikleri nedeniyle parçacıkların enerji bariyerini aşmasına izin verir ve bir reaksiyon meydana gelir,” diye açıklıyor çalışmanın ilk yazarı Robert Wild. “Deneyimizde yaklaşık 15 dakika tuzakta olası reaksiyonları veriyoruz ve ardından oluşan hidrojen iyonlarının miktarını belirliyoruz. Sayılarından bir reaksiyonun ne sıklıkta meydana geldiğini anlayabiliriz.”
2018’de teorik fizikçiler, bu sistemde kuantum tünellemenin her yüz milyar çarpışmadan yalnızca birinde meydana geldiğini hesaplamışlardı. Bu, şu anda Innsbruck’ta ölçülen sonuçlarla çok yakından örtüşüyor ve 15 yıllık araştırmadan sonra, ilk kez bir kimyasal reaksiyondaki tünelleme etkisine ilişkin kesin bir teorik modeli doğruluyor.
Daha iyi bir anlayış için temel{10 }
Tünel etkisinden yararlanabilecek başka kimyasal reaksiyonlar da vardır. İlk kez, bilimsel teoride de iyi anlaşılan bir ölçüm artık mevcut. Araştırma, buna dayanarak, kimyasal reaksiyonlar için daha basit teorik modeller geliştirebilir ve bunları şu anda başarıyla kanıtlanmış olan reaksiyon üzerinde test edebilir.
Tünel etkisi, örneğin, taramalı tünelleme mikroskobunda ve flaş belleklerde kullanılır. . Tünel etkisi, atom çekirdeğinin alfa bozunmasını açıklamak için de kullanılır. Tünel etkisini dahil ederek, yıldızlararası kara bulutlardaki moleküllerin bazı astrokimyasal sentezleri de açıklanabilir. Böylece Wester’ın ekibinin deneyi, birçok kimyasal reaksiyonun daha iyi anlaşılması için temel oluşturur.
Referans: “Tünel oluşturma, çok yavaş bir iyon molekülü reaksiyonunda ölçülür”, yazan Robert Wild, Markus Nötzold, Malcolm Simpson, Thuy Dung Tran ve Roland Wester, 1 Mart 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-05727-z
Araştırma, Avusturya Bilim Fonu FWF tarafından mali olarak desteklenmiştir. Avrupa Birliği, diğerleri arasında.