Studijos

Neįtikėtinos ir išskirtinės kvantinės fizikos reakcijos

Kvantinė fizika – viena netikėčiausių ir labiausiai intriguojančių mokslo sričių. Joje galioja klasikinei fizikai nebūdingi dėsniai, taisyklės, todėl kai kuriems ji atrodo keista ir nelogiška. Tačiau Vilniaus universiteto Teorinės fizikos ir astronomijos instituto mokslininkas, Lietuvos mokslo premijos laureatas dr. Arnoldas Deltuva, sėkmingai išplėtojęs branduolinių reakcijų aprašymo metodiką, taip nemano.

Anot mokslininko, vienos svarbiausių kvantinės fizikos savybių yra neapibrėžtumo principas, t. y. atitinkami fizikiniai dydžiai, pavyzdžiui, dalelės koordinatė ir judėjimo kiekis, kartu neturi apibrėžtų verčių, ir bangos-dalelės dualizmas, kai fizikinės sistemos apibūdinamos tikimybinio charakterio bangine funkcija. Makroskopinių, plika akimi matomų sistemų savybės paaiškinamos vadovaujantis klasikinės fizikos dėsniais, o kvantinės fizikos specifiškumas ypač atsiskleidžia nagrinėjant mikroskopines kelių dalelių sistemas. Su jomis susiduriame universalioje kelių dalelių fizikoje, dar vadinamoje Efimovo fizika.

„Įsivaizduokime, kad du vienodi elektriškai neutralūs atomai traukia vienas kitą tik suartėję itin mažu atstumu. Klasikinėje fizikoje, nepriklausomai nuo traukos stiprumo, jie sudarys surištąją būseną, t. y. jeigu pradinė kinetinė energija nebus per didelė, jie išliks kartu judėdami aplink bendrą masės centrą, – pasakoja dr. A. Deltuva. – Kvantinėje fizikoje viskas kiek kitaip. Dviem atomams esant nedideliu atstumu dėl neapibrėžtumo principo jų judėjimo energija negali būti kiek norima maža, todėl jai atsverti ir surištajai būsenai (molekulei) susidaryti reikalingas baigtinis tarpatominės traukos stiprumas. Esant tokiam kritiniam sąveikos stiprumui dėl banginių dalelių savybių vyksta egzotiški kvantiniai reiškiniai. Pavyzdžiui, gali susiformuoti labai mažos ryšio energijos dviatomė molekulė, kurios erdvinis dydis, kitaip tariant, vidutinis atstumas tarp atomų, yra daug didesnis nei jų sąveikos atstumas. Vadinasi, atomai aplink bendrą masės centrą juda daug toliau nutolę vienas nuo kito nei siekia jų sąveika. Vaizdžiai kalbant, tokia molekulė yra lyg mažo tankio, tačiau plačiai išplitęs „debesėlis“.

Anot mokslininko, trijų atomų sistemoje trys dviatomiai „debesėliai“, sąveikaudami su likusiu atomu (yra trys galimi 2+1 deriniai), lemia triatomės molekulės susidarymą. Jos ryšio energija yra daug didesnė nei dviatomės molekulės, ji gali turėti labai daug aukštesnės energijos formų, t. y. sužadintų būsenų, kurių dalis gali egzistuoti net ir tuomet, kai trauka šiek tiek per silpna dviatomei molekulei egzistuoti. „Ribiniu atveju triatomių molekulių savybės kiekybiškai nusakomos geometrine progresija: vienu lygmeniu aukščiau sužadinta būsena erdviškai yra apie 22,7 karto didesnė, bet jos ryšio energija maždaug 515 kartų mažesnė nei vienu lygmeniu žemesnės būsenos. Tokio pat tipo dėsningumai pasireiškia ir trijų atomų arba dviatomių molekulių ir atomų susidūrimuose, – teigia kvantinės fizikos tyrėjas. – Dar viena paradoksali šių molekulių savybė atsiskleidžia mažinant atomų traukos stiprumą tam tikrame ribotame intervale – nors dviatomės molekulės ryšio energija mažėja, norint išplėšti atomą iš sužadintos triatomės molekulės reikia vis didesnės energijos.“ 

Šią fenomenalią trijų dalelių sistemą prieš beveik 50 metų pirmasis teoriškai ištyrė V. Efimovas, todėl jo vardu dažnai vadinami su ja susiję reiškiniai. Tačiau eksperimentais tai patvirtinta tik šį tūkstantmetį ištobulinus atomų sąveikos reguliavimą magnetiniu lauku ir pritaikius jį išretintoms bei atšaldytoms šarminių metalų – ličio, rubidžio ir cezio – atomų dujoms.

Dr. A. Deltuva teigia, kad Efimovo fizika veikia ir atšaldytose helio dujose. Visais atvejais atšaldymas būtinas, kad molekulių nesuardytų susidūrimai su aplinkiniais atomais ar molekulėmis, vykstantys dėl šiluminio judėjimo. Šio judėjimo energiją apibūdina temperatūra, todėl ir molekulių  ryšio energiją patogu charakterizuoti temperatūra, kuri gali būti tūkstantosios laipsnio dalys virš absoliutaus nulio ar netgi dar žemesnė.

„Dar sudėtingesnė, bet kartu ir įdomesnė yra keturių atomų sistemų situacija. Gali susidaryti ir keturatomės molekulės, tačiau dauguma jų yra nestabilios ir labiausiai lemia keturių atomų, atomų ir triatomių molekulių bei dviejų dviatomių molekulių susidūrimus ir jų metu vykstančias reakcijas, tam tikromis sąlygomis jas itin pagreitindamos. Teorinis šių procesų modeliavimas ypač sudėtingas, bet žavi tai, kad pavyko sėkmingai pritaikyti panašią metodiką kaip ir trilijonus kartų didesnės energijos branduolinėms reakcijoms“, –  pabrėžia mokslininkas.

Dr. A. Deltuvai skirta 2018 m. Lietuvos mokslo premija už darbų ciklą „Reakcijų kvantinėse trijų ir keturių dalelių sistemose teorija: nuo šaltųjų atomų iki didelės energijos branduolių (2003–2017)“.

Pranešimą paskelbė: Karolina Derbutaitė, UAB „Vox vera“

Parašykite komentarą