@ 2017.11.12 , 20:00

水中量子隧穿:科学家终于证实90年前的预言

水中量子隧穿:科学家终于证实90年前的预言
Credit 123RF

一项科学家在90年前依据量子理论预言的现象,如今终于在实验室中被观测到。

悉尼大学的研究人员David McKenzie和Enyi Guo在《皇家学会会刊》(the journal Proceedings of the Royal Society)上报告说,他们已经成功地验证了水中的量子隧穿效应——这是英国理论物理学家罗Ronald Gurney在1931年首先预测到的一种现象。

量子隧道效应是量子力学的一个重要推论,依赖于亚原子粒子令人困惑的波粒二象性。

该理论描述了在某些情况下,当一个粒子面对障碍,可以突破经典物理的限制,发生瞬间移动或闪现,越过障碍。经典的力学方程显示粒子缺少足够的能量突破限制,但是波粒二象性允许它在不消耗能量的情况下,直接闪现出去一段距离。

粒子的隧穿效应早就有了广泛的应用。它是核聚变的关键,也是扫描隧道显微镜(STM)的基础。然而,尽管根据推理可以得到结论,但是直到现在还没有在水中被观察到。

为了验证Gurney的理论,McKenzie和Guo将黄金电极置于纯水中,并在它们之间通过低电压电流。

然后,他们着手测量由以下两个过程导致的对稳定电流的增损:吸收到电极表面上的离子互相中和,以及电极与溶液之间的电子发生隧穿(水分子失去或获得电子,就变成了纯水中的离子溶液)。

他们确定电极附件的电子隧穿现象贡献了电流的大部分。他们还发现,与实验数值相比,Gurney的理论计算结果有点宽泛,但后来由加拿大出生的化学家和诺贝尔奖得主鲁道夫·马库斯(Rudolph Marcus)修正过的理论与实验数据正好相符。

对于非理论物理学家来说,这个发现似乎有点空洞,但McKenzie指出,他和Guo的研究结果对一些和现实生活关系重大的行业有非同寻常的影响。

他说:“我们为检测水中微生物和生物医学杂质的提供了可能的改良手段,对生物传感技术也有潜在的重要意义。人们有时候会用“氢能源”来作为未来替代化石燃料的能源的简略说法,从这个角度,也可以知道更好地了解水的电解过程何其重要。”

本文译自 cosmosmagazine,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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