Μια σπάνια ματιά στον εσωτερικό κόσμο του ατόμου

Ερευνητές στην Ολλανδία κατάφεραν για πρώτη φορά να απεικονίσουν την κβαντική υπόσταση των ηλεκτρονίων που περιφέρονται γύρω από τον πυρήνα ενός ατόμου υδρογόνου -μια μελέτη που δεν είναι εντυπωσιακή μόνο λόγω του μεγέθους του ατόμου, αλλά και λόγω των φαινομενικά παράλογων περιορισμών που επιβάλλει η κβαντική μηχανική.

Οι κβαντικές ιδιότητες των ηλεκτρονίων και άλλων σωματιδίων καθιστούν ουσιαστικά αδύνατο τον προσδιορισμό της ακριβής τους θέσης. Το μόνο που διαθέτουν οι φυσικοί για να μπορούν να εκτιμήσουν πού μπορεί να βρίσκεται ένα ηλεκτρόνιο είναι η λεγόμενη κυματοσυνάρτηση: μια εξίσωση που δίνει την πιθανότητα να βρίσκεται το ηλεκτρόνιο σε μια οποιαδήποτε συγκεκριμένη θέση.

Διαβάστε επίσης: Αμφιλεγόμενο θεώρημα λέει ότι η κβαντική κυματοσυνάρτηση είναι «πραγματική»

Ακόμα και η κυματοσυνάρτηση, όμως, είναι δύσκολο να μετρηθεί με ακρίβεια, καθώς έχει την τάση να καταρρέει σε κάθε απόπειρα άμεσης παρατήρησης.

Τώρα, ερευνητές στο ολλανδικό Ίδρυμα Θεμελιώδους Έρευνας στην Ύλη αναφέρουν στην επιθεώρηση Physical Review Letters ότι κατάφεραν να απαθανατίσουν τις κυματοσυναρτήσεις των ηλεκτρονίων σε άτομα υδρογόνου.

H Δρ Ανέτα Στόντολνα και οι συνεργάτες της βομβάρδισαν με λέιζερ άτομα υδρογόνου έτσι ώστε τα ηλεκτρόνια να εκτιναχθούν μακριά, με ταχύτητες και οι κατευθύνσεις που εξαρτώνται από τις κυματοσυναρτήσεις τους. Αμέσως μετά, ένα ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο ανάγκασε τα ηλεκτρόνια να πέσουν πάνω σε έναν επίπεδο ανιχνευτή. Το πείραμα είχε σχεδιαστεί έτσι ώστε οι θέσεις στις οποίες προσέκρουσαν τα ηλεκτρόνια να εξαρτώνται από τις από τις αρχικές τους ταχύτητες, οι οποίες με τη σειρά τους εξαρτώνταν από τις κυματοσυναρτήσεις.

Οι θέσεις στις οποίες έπεφταν τα ηλεκτρόνια καταγράφηκαν σε μια φθορίζουσα οθόνη και φωτογραφήθηκαν σε υψηλή ανάλυση. Οι εικόνες που προκύπτουν, διαστάσεων 4 επί 4 χιλιοστά, δείχνουν ότι η κατανομή των ηλεκτρονίων στον ανιχνευτή ταιριάζει με τις κυματοσυναρτήσεις στις οποίες υπάκουαν τα ηλεκτρόνια τη στιγμή που εκτινάχθηκαν έξω από τα άτομα υδρογόνου.

Η μελέτη προσφέρει μια νέα τεχνική για την απεικόνιση της κυματοσυνάρτησης, σχολίασε στο δικτυακό τόπο του Science ο Τζεφ Λουντίν, φυσικός του Πανεπιστημίου της Οτάβα που έχει πραγματοποιήσει πειράματα στις κυματοσυναρτήσεις ενός άλλου σωματιδίου, του φωτονίου.

Επισημαίνει πάντως, ότι οι κυματοσυναρτήσεις των ηλεκτρονίων σε μεγαλύτερα άτομα θα μπορούσαν να διαφέρουν σημαντικά από τις παρατηρήσεις στο άτομο του υδρογόνου.

Εφόσον αποδειχθεί ότι είναι εφαρμόσιμη και σε άλλα άτομα, η νέα τεχνική θα μπορούσε μάλιστα να βρει στο μέλλον πρακτικές εφαρμογές σε «μοριακά καλώδια» που θα επιτρέψουν την περαιτέρω σμίκρυνση των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων.

Ακόμα κι αν δεν συμβεί αυτό, πάντως, το πορτρέτο της κυματοσυνάρτησης θα μπορούσε να βελτιώσει τις γνώσεις μας για την ατομική φυσική που βρίσκεται σε δράση στις χημικές αντιδράσεις και τη νανοτεχνολογία.

Newsroom ΑΛΤΕΡ ΕΓΚΟ