Достаточно большое количество химических превращений требует дополнительной энергии для синтеза молекул, которая обычно обеспечивается подъемом температуры или давления. Однако, если вам не нужно производство молекул в промышленных масштабах и вам некуда торопиться, то все необходимое, и без дополнительных затрат энергии, могут сделать причудливые явления квантовой механики. Именно это и увидели исследователи из университета Инсбрука (Австрия) проводя эксперименты по слиянию ионов дейтерия с молекулами водорода за счет известного эффекта квантового туннелирования.
Туннелирование является одним из эффектов квантового мира и заключается в том, что квантовые частицы могут спонтанно перепрыгнуть через некий барьер, преодоление которого при обычных условиях требует дополнительных усилий. В области химического синтеза этот барьер представляет собой энергию, необходимую для сближения атомов на расстояние, при котором они обмениваются электронами и связываются в молекулу.
Как уже упоминалось выше, австрийские ученые изучали взаимодействие между отрицательно заряженными ионами дейтерия (изотопа водорода, содержащего нейтрон) и молекулой обычного водорода H2. Ионы дейтерия были охлаждены до температуры, очень близкой к точке абсолютного нуля, где практически отсутствует тепловое движение и на первые места выходят квантовые свойства частиц. Затем в эту область пространства был введен газообразный водород.
При отсутствии теплового движения существует лишь исчезающе малая вероятность того, что ион дейтерия заменит атом нормального водорода в одной из молекул. Однако, в некоторых случаях ион и молекула сближаются друг с другом и обмен все же производится за счет эффекта квантового туннелирования.
Во время экспериментов ученые дали возможность реакциям ионного обмена спонтанно протекать на протяжении 15 минут, после чего был произведен подсчет количества "освобожденных" ионов водорода. В результате такого подсчета было определено, что частота реакций квантового туннельного ионного обмена составила 5x10^-20 раз в секунду в расчете на один кубический сантиметр пространства.
Другими словами, на каждую сотню миллиардов случаев сближения ионов и молекул происходил только один случай квантового ионного обмена. И полученные результаты очень и очень хорошо совпадают с результатами выполненных прежде теоретических расчетов.
Понимание роли эффекта квантового туннелирования в процессах синтеза и перестановках атомов в молекулах может обеспечить понимание некоторых процессов, протекающих в условиях холода межзвездного и межгалактического космического пространства. Кроме этого, этот же самый эффект может играть достаточно важную роль в реакциях термоядерного синтеза, которые сейчас пытается "обуздать" человечество и превратить в источник чистой энергии.