Exotisch atoom voor klassieke en quantummechanica
Natuurkundigen in het LaserCentrum van de Vrije Universiteit in Amsterdam zijn erin geslaagd een samengesteld deeltje te maken dat beschreven kan worden als een waterstofatoom met een verzwaard elektron. Een gewoon waterstofatoom bestaat uit een elektrisch positief geladen kern (een proton) en een elektrisch negatief geladen deeltje (een elektron). In het Lasercentrum is het elektron vervangen door een negatief geladen waterstofion. De afstand tussen dit negatieve deeltje en de positieve kern is naar verhouding heel groot gemaakt, maar de tegengestelde ladingen die elkaar aantrekken houden het geheel toch bij elkaar. Het gedrag van dit molecuul kan in deze situatie zowel met quantummechanica als klassieke dynamica beschreven en begrepen worden. Daarmee is het een modelsysteem om de overlap tussen klassieke en quantummechanica te onderzoeken. De natuurkundigen, Elmar Reinhold en Wim Ubachs, publiceren resultaten van hun experiment in de Physical Review Letters van 7 januari 2002.
In het waterstofatoom beweegt het elektron rond de kern. Beide deeltjes trekken elkaar via de elektrische kracht aan. In een beschrijving in termen van de klassieke natuurkunde (de natuurkunde van alledaagse verschijnselen) beweegt het elektron in een vaste baan rond de kern. Het waterstofatoom bevindt zich als geheel in één bepaalde energietoestand. De quantummechanica leert echter dat het atoom zich in een oneindige reeks van energieniveaus, zogenaamde quantumtoestanden, kan bevinden. Aan elke toestand hangt één specifiek zogeheten quantumgetal. Dit gaat op voor alle atomen, omdat ze allemaal beschouwd kunnen worden als een positief geladen zware kern en een elektron op afstand. De reeks van quantumtoestanden hangt samen met het feit dat de aantrekkende elektrische kracht afneemt met het kwadraat van de afstand tussen beide deeltjes.
Hier ligt een analogie met de zwaartekracht. Ook de zwaartekracht neemt af met het kwadraat van de afstand tussen de aantrekkende hemellichamen. Dezelfde quantummechanische theorie die de toestanden van een atoom beschrijft, kan ook gebruikt worden om de toestand van de aarde rond de zon te beschrijven. Daarbij hoort een reusachtig groot quantumgetal (1074). In deze situatie zijn de quantumeigenschappen niet meer waarneembaar. Dan geldt de klassieke mechanica.
Van klassiek naar quantummechanisch
Elmar Reinhold (sinds kort werkzaam in Orsay bij Parijs, daarvoor werkzaam in Amsterdam in dienst van FOM) en Wim Ubachs, verbonden aan het LaserCentrum van de Vrije Universiteit en bijzonder hoogleraar aan de Technische Universiteit Eindhoven, hebben met hun waterstofatoom met verzwaard elektron een deeltje gemaakt waar quantumgetallen tussen 1000 en 4000 bijhoren. Daarmee is het een modelsysteem geworden om het overgangsgebied van klassieke en quantummechanica te bestuderen. Bij heel kleine afmetingen, zoals in de wereld van het atoom, gaat onze klassieke intuïtie, die netjes samenvalt met de klassieke mechanica, niet meer op. We zien en begrijpen de werkelijkheid niet meer zoals ons 'gevoel' zegt dat het moet zijn. Het klassieke beeld wordt onjuist en quantumfenomenen gaan op de voorgrond treden. Een baan van een elektron om een atoomkern moeten we dan gaan beschrijven als de eerder genoemde oneindige reeks van energieniveaus. Het klassieke beeld maakt plaats voor het quantummechanische beeld.
Klassiek én quantummechanisch
Eén manier om daar iets over te leren, is te kijken hoe het systeem van H+H- zich in een elektrisch veld gedraagt. Dit systeem, een molecuul, wordt met behulp van lasers gemaakt in een elektrisch veld. Het gaat in dat veld tollen. Die tollende beweging kun je volgen door achtereenvolgens op verschillende tijdstippen het H- met een snel aangelegd sterk elektrisch veld uit het systeem te trekken. De tollende beweging houdt dan op en je kunt dus nagaan hoe ver de tolbeweging gevorderd was. Dat kan in dit systeem goed omdat de tolbeweging duizend keer zo langzaam is als in een gewoon waterstofatoom (het H- is veel zwaarder dan een elektron). In het systeem zitten grote aantallen energieniveaus (dus quantumgetallen) heel dicht op elkaar. Door te variëren in de golflengte van de laser waarmee het H+H--systeem gemaakt wordt, kan het quantumgetal worden gevarieerd. Dat leidt tot verschillende trillingsfrequenties in het tollen, die met verschillende elektrische velden op verschillende tijdstippen kunnen worden gemeten. In de metingen zijn daardoor oscillaties te zien (zie figuur hierbeneden) die overeenkomen met wat we in klassieke zin als tollende bewegingen kunnen begrijpen. Zo toont het H+H--systeem ons een wereld waarin een verschijnsel tegelijkertijd met de quantummechanica en de klassieke mechanica begrepen kan worden.
Meer over het onderzoek is te vinden op http://www.nat.vu.nl/~wimu/.
Meer informatie bij prof.dr. Wim Ubachs, tel. 020 - 444 7948, e-mail wimu@nat.vu.nl.