Когда она находится на свободе в холодном пространстве, молекула будет самопроизвольно охлаждаться, замедляя свое вращение и теряя вращательную энергию при квантовых переходах. Физики показали, что этот процесс вращательного охлаждения может быть ускорен, замедлен или даже инвертирован столкновениями молекул с окружающими частицами. .googletag.cmd.push(function() { googletag.display('div-gpt-ad-1449240174198-2'); });
Исследователи из Института ядерной физики Макса Планка в Германии и Колумбийской астрофизической лаборатории недавно провели эксперимент, направленный на измерение скорости квантовых переходов, вызванных столкновениями между молекулами и электронами. Их результаты, опубликованные в журнале Physical Review Letters, представляют собой первые экспериментальные доказательства. этого соотношения, которое ранее оценивалось только теоретически.
«Когда в слабоионизованном газе присутствуют электроны и молекулярные ионы, популяция молекул на самом низком квантовом уровне может измениться во время столкновений», — рассказал Phys.org Абель Калози, один из исследователей, проводивших исследование. «Пример этого». Процесс происходит в межзвездных облаках, где наблюдения показывают, что молекулы находятся преимущественно в низших квантовых состояниях. Притяжение между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными молекулярными ионами делает процесс столкновения электронов особенно эффективным».
В течение многих лет физики пытались теоретически определить, насколько сильно свободные электроны взаимодействуют с молекулами во время столкновений и в конечном итоге меняют их вращательное состояние. Однако до сих пор их теоретические предсказания не были проверены в экспериментальных условиях.
«До сих пор не проводилось никаких измерений, чтобы определить достоверность изменения уровней вращательной энергии для данной плотности электронов и температуры», — объясняет Калоси.
Чтобы получить это измерение, Калоси и его коллеги привели изолированные заряженные молекулы в тесный контакт с электронами при температуре около 25 Кельвинов. Это позволило им экспериментально проверить теоретические предположения и предсказания, изложенные в предыдущих работах.
В своих экспериментах исследователи использовали криогенное накопительное кольцо в Институте ядерной физики Макса Планка в Гейдельберге, Германия, предназначенное для видоизбирательных пучков молекулярных ионов. в значительной степени освобождается от любых других фоновых газов.
«В криогенном кольце накопленные ионы могут быть охлаждены радиационным путем до температуры стенок кольца, в результате чего образуются ионы, заполненные на нескольких самых низких квантовых уровнях», — объясняет Калоси. «Криогенные накопительные кольца недавно были построены в нескольких странах, но наше предприятие единственный, оснащенный специально разработанным электронным лучом, который можно направить на контакт с молекулярными ионами. Ионы сохраняются в этом кольце в течение нескольких минут, а для определения энергии вращения молекулярных ионов используется лазер».
Выбрав конкретную длину волны оптического излучения для своего зондового лазера, команда смогла уничтожить небольшую часть накопленных ионов, если их уровни энергии вращения соответствовали этой длине волны. Затем они обнаружили фрагменты разрушенных молекул для получения так называемых спектральных сигналов.
Команда собрала свои измерения при наличии и отсутствии столкновений электронов. Это позволило им обнаружить изменения в горизонтальной населенности в условиях низких температур, установленных в эксперименте.
«Чтобы измерить процесс столкновений с изменением вращательного состояния, необходимо убедиться, что в молекулярном ионе существует только самый низкий уровень вращательной энергии», — сказал Калоси. «Следовательно, в лабораторных экспериментах молекулярные ионы должны храниться в чрезвычайно холодных условиях. объемов, используя криогенное охлаждение до температуры значительно ниже комнатной, которая часто приближается к 300 Кельвинам. В этом объеме молекулы можно изолировать от вездесущих молекул инфракрасного теплового излучения нашей окружающей среды».
В своих экспериментах Калоси и его коллеги смогли достичь экспериментальных условий, в которых столкновения электронов доминируют над радиационными переходами. Используя достаточное количество электронов, они смогли провести количественные измерения столкновений электронов с молекулярными ионами CH+.
«Мы обнаружили, что скорость вращательного перехода, индуцированного электронами, соответствует предыдущим теоретическим предсказаниям», — сказал Калоси. «Наши измерения представляют собой первую экспериментальную проверку существующих теоретических предсказаний. Мы ожидаем, что будущие расчеты будут больше сосредоточены на возможном влиянии столкновений электронов на популяции самых низких энергетических уровней в холодных, изолированных квантовых системах».
Помимо первого подтверждения теоретических предсказаний в экспериментальных условиях, недавняя работа этой группы исследователей может иметь важные исследовательские последствия. Например, их результаты показывают, что измерение индуцированной электронами скорости изменения квантовых энергетических уровней может быть имеет решающее значение при анализе слабых сигналов молекул в космосе, обнаруженных радиотелескопами, или химической реактивности в тонкой и холодной плазме.
В будущем эта статья может проложить путь к новым теоретическим исследованиям, которые более внимательно изучат влияние столкновений электронов на заселение вращательных квантовых энергетических уровней в холодных молекулах. можно провести более детальные эксперименты в полевых условиях.
«В криогенном накопителе мы планируем внедрить более универсальную лазерную технологию для исследования уровней энергии вращения большего количества двухатомных и многоатомных молекулярных частиц», — добавляет Калоси. «Это проложит путь к исследованиям столкновений электронов с использованием большого количества дополнительных молекулярных ионов. . Лабораторные измерения этого типа будут и дальше дополняться, особенно в наблюдательной астрономии с использованием мощных обсерваторий, таких как Большая миллиметровая/субмиллиметровая решетка Атакамы в Чили. »
Пожалуйста, используйте эту форму, если вы столкнулись с орфографическими ошибками или неточностями или хотите отправить запрос на редактирование содержания этой страницы. Для общих вопросов, пожалуйста, используйте нашу контактную форму. Для общих отзывов, пожалуйста, используйте раздел общественного обсуждения ниже (пожалуйста, следуйте инструкциям). руководящие принципы).
Нам важно ваше мнение. Однако из-за большого объема сообщений мы не гарантируем индивидуальный ответ.
Ваш адрес электронной почты используется только для того, чтобы сообщить получателям, кто отправил электронное письмо. Ни ваш адрес, ни адрес получателя не будут использоваться для каких-либо других целей. Введенная вами информация появится в вашем электронном письме и не будет сохранена Phys.org ни в каких других целях. форма.
Получайте еженедельные и/или ежедневные обновления на свой почтовый ящик. Вы можете отказаться от подписки в любое время, и мы никогда не передадим ваши данные третьим лицам.
Этот веб-сайт использует файлы cookie для облегчения навигации, анализа использования вами наших услуг, сбора данных для персонализации рекламы и предоставления контента от третьих лиц. Используя наш веб-сайт, вы подтверждаете, что прочитали и поняли нашу Политику конфиденциальности и Условия использования.
Время публикации: 28 июня 2022 г.