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电子游戏:称量“大象身上的蚂蚁”,追求更高精度的原子钟

时间:2020/5/19 6:15:35   作者:   来源:   阅读:0   评论:0
内容摘要:最近,由马克斯·普朗克核物理研究所的科学家领导的一个国际科学研究小组成功地测量了电子跃迁发生时单个原子质量的微小变化。这种新方法使开发新的、更精确的原子钟成为可能,并为更好地理解原子内部开辟了全新的途径。高电荷离子是未来原子钟发展的理想选择之一。原子钟在日常生活和科学研究中非常重...

最近,由马克斯·普朗克核物理研究所的科学家领导的一个国际科学研究小组成功地测量了电子跃迁发生时单个原子质量的微小变化。这种新方法使开发新的、更精确的原子钟成为可能,并为更好地理解原子内部开辟了全新的途径。高电荷离子是未来原子钟发展的理想选择之一。


原子钟在日常生活和科学研究中非常重要。它利用原子内部电子在两个能级之间跳跃时所发出的电磁波作为标准来控制和校准电子振荡器,以达到精确的时间。与原子相比,高电荷离子的外层电子与原子核的束缚更强,对外部场的波动更不敏感,狭义相对论和量子电动力学的影响更显著。因此,高电荷离子是未来发展更精确原子钟的理想选择之一。


然而,由于内部结构复杂,在高电荷离子中识别适合原子钟的电子跃迁是非常困难的,而常用的光谱方法测量这种跃迁不够准确。现在,克劳斯教授领导的一个国际研究团队布鲁姆博士谢尔盖Eliseyev马克斯·普朗克核物理研究所,包括科学家来自俄罗斯、法国、日本和澳大利亚,使用高精度Pentatrap质谱仪(Pentatrap),极其微小的质量区别铼离子的基态和激发态是成功地测量。根据爱因斯坦的质能方程E = mc2,粒子的能态变化也会反映在它的质量变化上。科学家们在一个高电荷的铼离子中发现了一个寿命很长的亚稳态电子态,并直接测定了它的电子激发能。结果与高级计算结果一致。


为测量高电荷离子的跃迁能提供了可能。普朗克核物理研究所的Rima Schusler博士和她的同事们准备了铼原子,通常含有75个电子,然后将高电荷的铼离子引入Pentatrap ' s Penning阱。其中一个铼离子保持在最低能量态,即基态,另外两个则通过软x射线将能量转化为激发态。在磁场和异形电场的作用下,高电荷铼离子沿Penning阱的圆形轨道运动。类似于一个球在空中绕着绳子旋转,在同样的力下,较重的球比较轻的球旋转得慢。Pentatrap能够准确计算出不同铼离子单位时间内的包裹数,包裹数的不同反映了重量的增加。Schusler博士做了一个非常形象的比喻,相当于“称一头重达6吨的大象,



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