Elektronen verplaatsen in een atoom
Met een hele korte microgolfpuls kan een elektron maar liefst een micrometer (een duizendste millimeter) worden verplaatst, terwijl het tóch in het atoom blijft. Dit komt doordat de tweede helft van de microgolf het elektron afremt. Onderzoekers van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam en een Amerikaanse collega rapporteren dit onverwachte verschijnsel in de Physical Review Letters van 20 augustus aanstaande.
Aan een elektron in een atoom kan met elektromagnetische straling (licht, microgolven, enzovoorts), extra energie toegevoerd worden. Het (negatieve) elektron kan hierdoor naar meer naar buiten gelegen banen rondom de (positieve) kern springen. Fysici zeggen dat het elektron 'aangeslagen' wordt. Als de hoeveelheid toegevoerde energie groot genoeg is, ontsnapt het elektron helemaal aan het atoom. Het positief geladen atoom (ion) en het elektron gaan nu ieder hun eigen weg. Dit proces heet ionisatie.
Elektromagnetische straling, wist Sir James Clerk Maxwell in de 19de eeuw al, bestaat in de vrije ruimte altijd uit tenminste één hele golf. Het elektrische veld gaat van nul naar plus en weer terug naar nul (de eerste halve golf) en daarna van nul naar min en weer terug naar nul (de tweede halve golf).
Bij Amerikaanse ionisatie-experimenten van rond 1990 leek het echter alsof straling toch uit een halve golf kon bestaan. Als een atoom geïoniseerd werd met een hele korte microgolfpuls, lieten de resultaten zich het best beschrijven door alleen de klap ten gevolge van de eerste halve golf in beschouwing te nemen. Deze eerste halve golf duurt slechts 1 picoseconde, 1 miljoenste van een miljoenste seconde. De tweede halve golf, die veel langer duurde en minder intens was, kwam pas als het elektron al lang uit het atoom vertrokken was.
Kees Wesdorp (bij zijn promotie afgelopen mei de jongste doctor uit de geschiedenis van FOM) en Bart Noordam van AMOLF en Francis Robicheaux van Auburn University in Alabama hebben nu laten zien dat bij de interactie van een aangeslagen elektron met zo'n korte microgolfpuls de tweede halve golf wel degelijk een rol speelt, met een verrassend resultaat bovendien. In experimenten met het metaal lithium sloegen de onderzoekers eerst met laserlicht een atoom zodanig aan, dat een elektron in een ver naar buiten gelegen baan terechtkwam. Daarna stuurden ze een korte microgolfpuls het atoom in.
Tot hun verbazing constateerden ze dat nu geen ionisatie optrad, terwijl ze dat op grond van de hoeveelheid toegevoerde energie wel verwachtten. Nader onderzoek wees uit dat het aangeslagen elektron zich in een baan aan de uiterste rand van het atoom bevond, een situatie die in de vrije natuur nauwelijks voorkomt.
De verklaring voor dit resultaat is dat in dit geval de tweede halve golf wel degelijk een rol speelt. Van de eerste halve golf van de microgolfpuls krijgt het elektron een klap waardoor het versneld wordt in de richting van de atoomkern af. Vervolgens krijgt het van de tweede halve golf een klap in de tegenovergestelde richting. Hierdoor wordt het elektron afgeremd. Tussen de twee klappen in, is het elektron wél verplaatst binnen het atoom. Het verlaat het atoom echter niet!
Omdat de twee klappen maar liefst 1/20 miljardste seconde na elkaar komen, een hele lange tijd in de snelle wereld van de atomen, kan het elektron ongeveer 1 micrometer (1 duizendste millimeter) worden verplaatst. Een enkel atoom is dan net zo groot geworden als een bacterie. Deze nieuwe tweeklaps-experimenten laten zien dat het mogelijk is om een elektron in een atoom zo te manipuleren, dat het elektron buitenissige banen maakt die in de vrije natuur nauwelijks voorkomen.
Meer informatie bij
dr. Kees Wesdorp, (020) 608 13 51, wesdorp@amolf.nl of
prof.dr. Bart Noordam, (020) 551 36 13, noordam@amolf.nl.