 |
| Τι βρίσκεται μέσα στο άτομο του Η; |
Η πρώτη άμεση παρατήρηση της τροχιακής δομής ενός διεγερμένου ατόμου υδρογόνου πραγματοποιήθηκε από μια διεθνή ομάδα ερευνητών.
Η παρατήρηση έγινε χρησιμοποιώντας ένα νέο "κβαντικό μικροσκόπιο", το οποίο χρησιμοποιεί ένα μικροσκόπιο φωτοιονισμού για να απεικονίσει άμεσα τη δομή. Επίδειξη της ομάδας αποδεικνύει ότι «μικροσκόπιο φωτοιονισμού, που προτάθηκε για πρώτη φορά πριν από 30 χρόνια, μπορεί να πραγματοποιηθεί πειραματικά και μπορεί να χρησιμεύσει ως εργαλείο για να διερευνήσει τις λεπτές αποχρώσεις της κβαντικής μηχανικής.
Ροή πληροφοριών
Η κυματοσυνάρτηση αποτελεί κεντρικό δόγμα της κβαντικής θεωρίας - και για το θέσω απλά, που περιέχει τη μέγιστη γνώση που είναι διαθέσιμη για την κατάσταση ενός κβαντικού συστήματος. Πιο συγκεκριμένα, η κυματοσυνάρτηση είναι η λύση για την εξίσωση του Schrödinger. Το τετράγωνο της κυματοσυνάρτησης περιγράφει την πιθανότητα όπου ακριβώς ένα σωματίδιο μπορεί να βρίσκεται σε μια δεδομένη στιγμή. Παρά το γεγονός ότι κατέχει εξέχουσα θέση στην κβαντική θεωρία, η απευθείας μέτρηση ή παρατηρώντας την κυματοσυνάρτηση δεν είναι εύκολη υπόθεση, όπως και κάθε άμεση παρατήρηση καταστρέφει την κυματοσυνάρτηση προτού να μπορέσει να παρατηρηθεί πλήρως.
Στο παρελθόν, τα πειράματα "Rydberg wavepacket" προσπάθησαν να παρατηρήσουν την κυματοσυνάρτηση χρησιμοποιώντας παλμούς λέιζερ ultrafast. Σε αυτά τα πειράματα, τα άτομα βρίσκονται σε υπέρθεση στην εξαιρετικά διεγερμένη κατάστασή τους, δηλώνει ο Rydberg. Αυτά τα πειράματα δείχνουν ότι οι περιοδικές τροχιές των ηλεκτρονίων γύρω από τους πυρήνες που περιγράφεται από συνεκτικές υπερθέσεις, σταθερές καταστάσεις της κβαντικής μηχανικής. Η κυματοσυνάρτηση της καθεμιάς από αυτές τις καταστάσεις είναι ένα στάσιμο κύμα με ένα μοτίβο κόμβου (ένα «κόμβο» είναι όπου υπάρχει μηδενική πιθανότητα να βρεθεί ένα ηλεκτρόνιο) που αντανακλά τους κβαντικούς αριθμούς της κατάστασης. Ενώ τα προηγούμενα πειράματα έχουν προσπαθήσει να συλλάβουν την άπιαστη κυματοσυνάρτηση ή τους πρότυπους κόμβους, οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται δεν ήταν επιτυχείς. Άμεση παρατήρηση της δομής των κόμβων ενός μόνο ατόμου είναι πιο δύσκολο να επιτευχθεί.
Σχεδιάζοντας κύματα
Στη νέα της δουλειά, η Aneta Stodolna, του Ινστιτούτου FOM, Ατομικής και Μοριακής Φυσικής στην Ολλανδία, μαζί με τον Marc Vrakking στο Max-Born-Ινστιτούτο στο Βερολίνο, στη Γερμανία και με άλλους συναδέλφους στην Ευρώπη και στις ΗΠΑ έχουν δείξει ότι το μικροσκόπιο photoionization μπορεί να λάβει απευθείας τη κομβική δομή της τροχιάς του ηλεκτρονίου από ένα άτομο υδρογόνου που τοποθετείται σε ένα στατικό ηλεκτρικό πεδίο. Στο πείραμα, το άτομο υδρογόνου τοποθετείται στο ηλεκτρικό πεδίο Ε και διεγείρεται από παλμούς λέιζερ. Το ιονισμένο ηλεκτρόνιο διαφεύγει από το άτομο και ακολουθεί μια συγκεκριμένη τροχιά προς τον ανιχνευτή - μια διπλή πλάκα μικροδιαύλου του ανιχνευτή (MCP) - που είναι κάθετος προς το ίδιο το πεδίο. Δεδομένου ότι υπάρχουν πολλές τέτοιες τροχιές που θα φτάσουν στο ίδιο σημείο επί του ανιχνευτή, τα πρότυπα παρεμβολής μπορεί να παρατηρηθούν, η ομάδα η οποία μεγεθύνει κατά ένα συντελεστή πάνω από 20.000 χρησιμοποιώντας ένα ηλεκτροστατικό φακό ζουμ. Το σχέδιο παρέμβασης αντανακλά άμεσα τη κομβική δομή της κυματοσυνάρτησης. Τα πειράματα διεξήχθησαν τόσο με συντονισμένο ιονισμό που αφορούν μια κατάσταση Rydberg και μη-συντονισμένο ιονισμό.
Η ομάδα επέλεξε άτομο υδρογόνου για τις μοναδικές του ιδιότητες. "Αυτά τα [άτομα υδρογόνου] είναι πολύ περίεργα ... όπως το υδρογόνο έχει μόνο ένα ηλεκτρόνιο, το οποίο αλληλεπιδρά με τον πυρήνα μέσω μιας καθαρά αλληλεπίδρασης Κουλόμπ, έχει μια συγκεκριμένη δομή, όταν το τοποθετούμε σε ένα ηλεκτρικό πεδίο DC», λέει ο Vrakking. Πηγαίνει για να εξηγήσει ότι χάρη στη κατάσταση ενός-ηλεκτρονίου, η κυματοσυνάρτηση του υδρογόνου μπορεί να γραφεί ως το γινόμενο κυματοσυναρτήσεων, οι οποίες περιγράφουν πώς αλλάζει ως συνάρτηση σε δύο συντεταγμένες - τις λεγόμενες παραβολικές συντεταγμένες. Δηλαδή, το Hamiltonian του ατόμου του υδρογόνου (σε ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο) περιγράφει ένα διαχωρισμό των επιπέδων ενέργειας, η οποία είναι γνωστή ως η "Stark αποτέλεσμα". Ακόμη πιο σημαντικό, όμως, αυτή η "Stark Χαμιλτονιανή" είναι ακριβώς διαχωρίσιμη από την άποψη των δύο παραβολικών συντεταγμένων, οι οποίοι είναι γραμμικοί συνδυασμοί της απόστασης του ηλεκτρονίου από τον πυρήνα του υδρογόνου r και τη μετατόπιση του ηλεκτρονίου κατά μήκος του ηλεκτρικού πεδίου άξονα z .
Ο Vrakking λέει ότι το σχήμα των δύο παραβολικών κυματοσυναρτήσεων συνεπώς είναι "εντελώς ανεξάρτητο από την ισχύ του πεδίου και έτσι είναι αμετάβλητο -παραμένει το ίδιο καθώς το ηλεκτρόνιο ταξιδεύει για περισσότερο από μισό μέτρο στο πείραμα - δηλαδή από όπου λαμβάνει χώρα ο ιονισμός μέχρι τον 2D ανιχνευτή ". Αυτό, εξηγεί, είναι ζωτικής σημασίας για την κλιμάκωση της χωρικής κατανομής να μεγεθύνει τα πρότυπα κομβικά σε κλίμακα διαστάσεων χιλιοστών, όπου μπορεί να παρατηρηθεί με γυμνό μάτι για τον 2D ανιχνευτή και καταγράφεται με ένα σύστημα φωτογραφικής μηχανής. "Αυτό που βλέπετε στον ανιχνευτή είναι ό, τι υπάρχει στο άτομο", λέει. Η ομάδα παρατήρησε αρκετές εκατοντάδες χιλιάδες φάσεις ιονισμού για την λήψη αυτών των αποτελεσμάτων, με την ίδια προετοιμασία της κυματοσυνάρτησης για το καθένα.
Τι βρίσκεται μέσα
Ο αριθμός στην αρχή αυτού του άρθρου δείχνει το κύριο αποτέλεσμα της ομάδας, όπου τα άτομα υδρογόνου ήταν διεγερμένα για καταστάσεις μηδέν, ένα, δύο και τριών κόμβων στην κυματοσυνάρτηση για ένα παραβολικών συντεταγμένων. "Αν κοιτάξετε τις μετρημένες προβλέψεις για τον ανιχνευτή, μπορείτε να αναγνωρίσετε εύκολα τους κόμβους, και να δείτε ακτινικά, τη δομή του δακτυλίου", λέει ο Vrakking.
Επίσης, επισημαίνει την "εντυπωσιακή διαφορά" μεταξύ των εικόνων που καταγράφονται μετά την ηχηρή διέγερση και εικόνων που καταγράφονται λόγω μη συντονισμού διέγερσης - αυτό φαίνεται στην εικόνα πλησίον, όπου έχει γίνει σύγκριση και λαμβάνεται μια μέτρηση για ένα ηχηρό και δύο μη- ηχηρούς κόμβους.
Ο Vrakking λέει ότι ο απώτερος στόχος της έρευνας ήταν να μελετήσει και να απεικονίσει το άτομο του υδρογόνου. Μελλοντικά πειράματα μπορεί να δούμε πώς το άτομο θα αντιδράσει μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο, μελετώντας την χρονική επίλυση της δυναμικής των ηλεκτρονίων, τη ολογραφική διερεύνηση μικροσκοπικών παρεμβολών και ίσως παρατηρήσει ακόμη και μόρια με μικροσκόπιο φωτοιονισμού.
Το ήλιο κάτω από το μικροσκόπιο
Επί του παρόντος, ωστόσο, οι ερευνητές μελετούν και την ανάλυση ενός ατόμου ηλίου με χρήση μικροσκοπίου φωτοιονισμού και μια μελέτη για το θέμα αυτό θα δημοσιευθεί εντός των προσεχών μηνών. "Δεδομένου ότι υπάρχουν δύο ηλεκτρόνια σε ένα άτομο ηλίου, έχουμε πάρει κάποια πολύ ενδιαφέροντα στοιχεία", λέει ο Vrakking. Αναφέρει ότι, ενώ σε κάποιες πλευρές οι αποκρίσεις του ατόμου του ηλίου είναι πολύ παρόμοιες με εκείνη του υδρογόνου, υπάρχουν και κάποιες σημαντικές διαφορές. "Παρά το γεγονός ότι ένα από τα ηλεκτρόνια του ηλίου είναι πολύ στενά συνδεδεμένο με τον πυρήνα, και το άλλο είναι πολύ ιδιαίτερα ασθενές, μπορούμε να δούμε ότι τα ηλεκτρόνια γνωρίζουν την ύπαρξη του άλλου και ότι "μιλούν το ένας στο άλλο", λέει ο Vrakking, εξηγώντας ότι αυτό θα μπορούσε να επιτρέψει στην ομάδα να «βλέπει» διεμπλοκή ηλεκτρονίων.
Ροή πληροφοριών
Η κυματοσυνάρτηση αποτελεί κεντρικό δόγμα της κβαντικής θεωρίας - και για το θέσω απλά, που περιέχει τη μέγιστη γνώση που είναι διαθέσιμη για την κατάσταση ενός κβαντικού συστήματος. Πιο συγκεκριμένα, η κυματοσυνάρτηση είναι η λύση για την εξίσωση του Schrödinger. Το τετράγωνο της κυματοσυνάρτησης περιγράφει την πιθανότητα όπου ακριβώς ένα σωματίδιο μπορεί να βρίσκεται σε μια δεδομένη στιγμή. Παρά το γεγονός ότι κατέχει εξέχουσα θέση στην κβαντική θεωρία, η απευθείας μέτρηση ή παρατηρώντας την κυματοσυνάρτηση δεν είναι εύκολη υπόθεση, όπως και κάθε άμεση παρατήρηση καταστρέφει την κυματοσυνάρτηση προτού να μπορέσει να παρατηρηθεί πλήρως.
Στο παρελθόν, τα πειράματα "Rydberg wavepacket" προσπάθησαν να παρατηρήσουν την κυματοσυνάρτηση χρησιμοποιώντας παλμούς λέιζερ ultrafast. Σε αυτά τα πειράματα, τα άτομα βρίσκονται σε υπέρθεση στην εξαιρετικά διεγερμένη κατάστασή τους, δηλώνει ο Rydberg. Αυτά τα πειράματα δείχνουν ότι οι περιοδικές τροχιές των ηλεκτρονίων γύρω από τους πυρήνες που περιγράφεται από συνεκτικές υπερθέσεις, σταθερές καταστάσεις της κβαντικής μηχανικής. Η κυματοσυνάρτηση της καθεμιάς από αυτές τις καταστάσεις είναι ένα στάσιμο κύμα με ένα μοτίβο κόμβου (ένα «κόμβο» είναι όπου υπάρχει μηδενική πιθανότητα να βρεθεί ένα ηλεκτρόνιο) που αντανακλά τους κβαντικούς αριθμούς της κατάστασης. Ενώ τα προηγούμενα πειράματα έχουν προσπαθήσει να συλλάβουν την άπιαστη κυματοσυνάρτηση ή τους πρότυπους κόμβους, οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται δεν ήταν επιτυχείς. Άμεση παρατήρηση της δομής των κόμβων ενός μόνο ατόμου είναι πιο δύσκολο να επιτευχθεί.
Σχεδιάζοντας κύματα
Στη νέα της δουλειά, η Aneta Stodolna, του Ινστιτούτου FOM, Ατομικής και Μοριακής Φυσικής στην Ολλανδία, μαζί με τον Marc Vrakking στο Max-Born-Ινστιτούτο στο Βερολίνο, στη Γερμανία και με άλλους συναδέλφους στην Ευρώπη και στις ΗΠΑ έχουν δείξει ότι το μικροσκόπιο photoionization μπορεί να λάβει απευθείας τη κομβική δομή της τροχιάς του ηλεκτρονίου από ένα άτομο υδρογόνου που τοποθετείται σε ένα στατικό ηλεκτρικό πεδίο. Στο πείραμα, το άτομο υδρογόνου τοποθετείται στο ηλεκτρικό πεδίο Ε και διεγείρεται από παλμούς λέιζερ. Το ιονισμένο ηλεκτρόνιο διαφεύγει από το άτομο και ακολουθεί μια συγκεκριμένη τροχιά προς τον ανιχνευτή - μια διπλή πλάκα μικροδιαύλου του ανιχνευτή (MCP) - που είναι κάθετος προς το ίδιο το πεδίο. Δεδομένου ότι υπάρχουν πολλές τέτοιες τροχιές που θα φτάσουν στο ίδιο σημείο επί του ανιχνευτή, τα πρότυπα παρεμβολής μπορεί να παρατηρηθούν, η ομάδα η οποία μεγεθύνει κατά ένα συντελεστή πάνω από 20.000 χρησιμοποιώντας ένα ηλεκτροστατικό φακό ζουμ. Το σχέδιο παρέμβασης αντανακλά άμεσα τη κομβική δομή της κυματοσυνάρτησης. Τα πειράματα διεξήχθησαν τόσο με συντονισμένο ιονισμό που αφορούν μια κατάσταση Rydberg και μη-συντονισμένο ιονισμό.
Η ομάδα επέλεξε άτομο υδρογόνου για τις μοναδικές του ιδιότητες. "Αυτά τα [άτομα υδρογόνου] είναι πολύ περίεργα ... όπως το υδρογόνο έχει μόνο ένα ηλεκτρόνιο, το οποίο αλληλεπιδρά με τον πυρήνα μέσω μιας καθαρά αλληλεπίδρασης Κουλόμπ, έχει μια συγκεκριμένη δομή, όταν το τοποθετούμε σε ένα ηλεκτρικό πεδίο DC», λέει ο Vrakking. Πηγαίνει για να εξηγήσει ότι χάρη στη κατάσταση ενός-ηλεκτρονίου, η κυματοσυνάρτηση του υδρογόνου μπορεί να γραφεί ως το γινόμενο κυματοσυναρτήσεων, οι οποίες περιγράφουν πώς αλλάζει ως συνάρτηση σε δύο συντεταγμένες - τις λεγόμενες παραβολικές συντεταγμένες. Δηλαδή, το Hamiltonian του ατόμου του υδρογόνου (σε ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο) περιγράφει ένα διαχωρισμό των επιπέδων ενέργειας, η οποία είναι γνωστή ως η "Stark αποτέλεσμα". Ακόμη πιο σημαντικό, όμως, αυτή η "Stark Χαμιλτονιανή" είναι ακριβώς διαχωρίσιμη από την άποψη των δύο παραβολικών συντεταγμένων, οι οποίοι είναι γραμμικοί συνδυασμοί της απόστασης του ηλεκτρονίου από τον πυρήνα του υδρογόνου r και τη μετατόπιση του ηλεκτρονίου κατά μήκος του ηλεκτρικού πεδίου άξονα z .
Ο Vrakking λέει ότι το σχήμα των δύο παραβολικών κυματοσυναρτήσεων συνεπώς είναι "εντελώς ανεξάρτητο από την ισχύ του πεδίου και έτσι είναι αμετάβλητο -παραμένει το ίδιο καθώς το ηλεκτρόνιο ταξιδεύει για περισσότερο από μισό μέτρο στο πείραμα - δηλαδή από όπου λαμβάνει χώρα ο ιονισμός μέχρι τον 2D ανιχνευτή ". Αυτό, εξηγεί, είναι ζωτικής σημασίας για την κλιμάκωση της χωρικής κατανομής να μεγεθύνει τα πρότυπα κομβικά σε κλίμακα διαστάσεων χιλιοστών, όπου μπορεί να παρατηρηθεί με γυμνό μάτι για τον 2D ανιχνευτή και καταγράφεται με ένα σύστημα φωτογραφικής μηχανής. "Αυτό που βλέπετε στον ανιχνευτή είναι ό, τι υπάρχει στο άτομο", λέει. Η ομάδα παρατήρησε αρκετές εκατοντάδες χιλιάδες φάσεις ιονισμού για την λήψη αυτών των αποτελεσμάτων, με την ίδια προετοιμασία της κυματοσυνάρτησης για το καθένα.
Τι βρίσκεται μέσα
Ο αριθμός στην αρχή αυτού του άρθρου δείχνει το κύριο αποτέλεσμα της ομάδας, όπου τα άτομα υδρογόνου ήταν διεγερμένα για καταστάσεις μηδέν, ένα, δύο και τριών κόμβων στην κυματοσυνάρτηση για ένα παραβολικών συντεταγμένων. "Αν κοιτάξετε τις μετρημένες προβλέψεις για τον ανιχνευτή, μπορείτε να αναγνωρίσετε εύκολα τους κόμβους, και να δείτε ακτινικά, τη δομή του δακτυλίου", λέει ο Vrakking.
 |
| Το μάτι του ατόμου |
Επίσης, επισημαίνει την "εντυπωσιακή διαφορά" μεταξύ των εικόνων που καταγράφονται μετά την ηχηρή διέγερση και εικόνων που καταγράφονται λόγω μη συντονισμού διέγερσης - αυτό φαίνεται στην εικόνα πλησίον, όπου έχει γίνει σύγκριση και λαμβάνεται μια μέτρηση για ένα ηχηρό και δύο μη- ηχηρούς κόμβους.
Ο Vrakking λέει ότι ο απώτερος στόχος της έρευνας ήταν να μελετήσει και να απεικονίσει το άτομο του υδρογόνου. Μελλοντικά πειράματα μπορεί να δούμε πώς το άτομο θα αντιδράσει μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο, μελετώντας την χρονική επίλυση της δυναμικής των ηλεκτρονίων, τη ολογραφική διερεύνηση μικροσκοπικών παρεμβολών και ίσως παρατηρήσει ακόμη και μόρια με μικροσκόπιο φωτοιονισμού.
Το ήλιο κάτω από το μικροσκόπιο
Επί του παρόντος, ωστόσο, οι ερευνητές μελετούν και την ανάλυση ενός ατόμου ηλίου με χρήση μικροσκοπίου φωτοιονισμού και μια μελέτη για το θέμα αυτό θα δημοσιευθεί εντός των προσεχών μηνών. "Δεδομένου ότι υπάρχουν δύο ηλεκτρόνια σε ένα άτομο ηλίου, έχουμε πάρει κάποια πολύ ενδιαφέροντα στοιχεία", λέει ο Vrakking. Αναφέρει ότι, ενώ σε κάποιες πλευρές οι αποκρίσεις του ατόμου του ηλίου είναι πολύ παρόμοιες με εκείνη του υδρογόνου, υπάρχουν και κάποιες σημαντικές διαφορές. "Παρά το γεγονός ότι ένα από τα ηλεκτρόνια του ηλίου είναι πολύ στενά συνδεδεμένο με τον πυρήνα, και το άλλο είναι πολύ ιδιαίτερα ασθενές, μπορούμε να δούμε ότι τα ηλεκτρόνια γνωρίζουν την ύπαρξη του άλλου και ότι "μιλούν το ένας στο άλλο", λέει ο Vrakking, εξηγώντας ότι αυτό θα μπορούσε να επιτρέψει στην ομάδα να «βλέπει» διεμπλοκή ηλεκτρονίων.
Πηγή, physicworld.com
Απόδοση Δ. Γιάκας
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου