Ученые УрФУ и УрО РАН впервые показали не только возможность, но и условия квантовой диффузии дейтерия (тяжелый изотоп водорода) в натрий. Исследование крайне важно для развития квантовой теории, теории катализа, астрофизики, а также низкотемпературных технологий. Результаты работы опубликованы в The Journal of Physical Chemistry A.
Напомним, изотопы — разновидности ядер химических элементов; имеют одинаковый заряд, но разную массу. Дейтерий — природный изотоп водорода с одним дополнительным нейтроном в ядре; используется в атомной промышленности.
Известно, что частице необходимо обладать определенной энергией, чтобы преодолеть энергетический барьер, отделяющий ее от попадания в другую точку пространства. Однако частица, хоть и с малой долей вероятности, за счет так называемого туннельного эффекта может пройти сквозь барьер без изменения энергии. Шанс, что такой переход произойдет, будет тем выше, чем мельче размер частицы и ниже температура. Коллектив ученых впервые использовал это явление для насыщения натрия дейтерием.
Квантовые переходы с трудом даются и обычному водороду, а в случае с более крупным дейтерием задача усложняется многократно. Когда частица водорода проходит через активное вещество, например, натрий, классический энергозатратный способ преодоления энергетического барьера будет преобладать почти всегда. Однако исследователям удалось полностью избавиться от неквантовых переходов при температуре −113 ⁰C, чтобы как можно сильнее понизить внутреннюю энергию испытываемых веществ. В ходе эксперимента также была проделана работа по модификации существующей методики обращения с подобными образцами.
«Чтобы измерить конечную концентрацию вещества в бомбардируемом образце и глубину его проникновения, мы использовали метод онлайн-анализа ядерных реакций NRAOL. Его дополнили математической моделью, описывающей соотношение количества продуктов квантовой диффузии и классической химической реакции при экстремально низких температурах», — рассказывает доцент кафедры моделирования управляемых систем УрФУ Евгения Выходец.
По словам ведущего исследователя Института физики металлов УрО РАН Владимира Выходца, в этих условиях экспериментальная база данных по квантовой диффузии водорода в металлы может быть расширена только тогда, когда используются методы, которые могут обеспечить измерения коэффициентов диффузии изотопов водорода в широком классе материалов при экстремально низких температурах.
«Решение этой проблемы может быть очень многообещающим для квантовой химии твердых тел и теории диффузии. В этом исследовании мы нашли решение в случае дейтерия и впервые получили данные о квантовой диффузии дейтерия в металл. Мы предполагаем, что метод NRAOL применим для получения данных о туннелировании дейтерия не только через натрий, но и через другие металлы», — поясняет ученый.
Отметим, за основу классической механики взяты принцип относительности Галилея (все механические процессы и явления идут одинаково в инерциальных системах отсчета) и законы Ньютона (закон инерции, закон зависимости ускорения от массы и приложенной силы, закон равенства сил действия и противодействия). Но чем глубже ученые познавали мир вокруг, тем яснее становилось, что не все подчиняется этим догмам. Изучение квантов, самых элементарных и загадочных частиц материи и энергии, в свое время поставило приверженцев ньютоновской физики в тупик, поскольку классическая механика оказалась неприменима для этого. Так возникла необходимость в квантовой химии и квантовой физике, поскольку только используемые ими методы позволяли изучать эти таинственные частицы.
УрФУ — один из ведущих университетов России, участник проекта 5-100, расположен в Екатеринбурге — столице летней Универсиады-2023. Вуз выступает инициатором создания и выполняет функции проектного офиса Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня (НОЦ), который призван решить задачи национального проекта «Наука».Источник: Официальный сайт УрФУ