Doorbraak in manipulatie van atomen met lasers
Onderzoekers in het Laser Centrum van de Vrije Universiteit zijn erin geslaagd een verzwaard Bohr-atoom te produceren. Dat betekent dat ze een doorbraak in de manipulatie van atomen met lasers hebben gerealiseerd. Dit melden ze in het tijdschrift Physical Review Letters van deze week. Een illustratie van hun experimentele opstellingen siert de omslag van het tijdschrift.
De Deense natuurkundige Niels Bohr formuleerde in 1913 zijn model van een atoom, waarbij hij aannam dat een elektron zich alleen in zeer bepaalde banen rond de atoomkern kan bevinden, waar zijn toestand stationair is. Dat betekent dat een elektron zich alleen in bepaalde specifieke energieniveaus in het atoom kan bevinden en alleen met specifieke hoeveelheden (quanta) energie naar andere banen kan springen of onder uitzending van diezelfde hoeveelheden energie naar eerdere posities terug kan keren. Dit wordt sindsdien het Bohr-atoom genoemd. Het 'quantiseren' van de baanopties van het elektron gaf de verklaring voor de waargenomen spectraallijnen in het waterstofatoom en de aanzet voor de quantumtheorie. Het waterstofatoom bestaat uit een proton (H+, elektrisch positief geladen) en een elektron (e-, elektrisch negatief geladen). Vanwege deze tegengestelde ladingen trekken deze deeltjes elkaar aan, waardoor ze aan elkaar gebonden blijven in het atoom.
De onderzoekers zijn uitgegaan van een waterstofmolecuul (H2), dat bestaat uit twee protonen en twee elektronen. Dit systeem hebben ze gemanipuleerd door het met laserpulsen van verschillende kleuren te beschieten, waardoor de elektronen zich anders gaan rangschikken. Eén proton en de beide elektronen gaan samen een negatief geladen deeltje vormen (H-), dat meer dan duizend keer zwaarder is dan een elektron. Dit zware negatief geladen deeltje neemt dan de plaats in van het elektron in het Bohr-atoom. Het beweegt op grote afstand van het resterende proton (H+) en beide nieuwe deeltjes trekken elkaar aan via de elektrische kracht. Uit het laserexperiment blijkt dat de serie van gemeten quantumtoestanden in dit H-H+-systeem precies voldoet aan de formule van Bohr. Zodoende is er een zwaar Bohr-atoom geproduceerd.
Dergelijke toestanden waarin de ladingen volledig gescheiden zijn (een ionenpaar) moeten in feite in alle moleculen voorkomen: ieder molecuul AB zou in een A+B-- of A-B+-configuratie gedwongen kunnen worden; voor moleculen die uit veel meer atomen bestaan, geldt hetzelfde. Het experiment vormt een hoogstandje van manipulatie met lasers. Of dat mogelijk nog toepassingen heeft in het sturen of controleren van chemische reacties is vooralsnog een open vraag.
Meer informatie bij prof.dr. Wim Ubachs van het Lasercentrum van de Vrije Universiteit, telefoon (020) 598 79 48.
Referentie:
Observation of a Rydberg series in H+H-: a heavy Bohr atom, Maria Ofelia Vieitez, Toncho Ivanov, Elmar Reinhold, Kees de Lange and Wim Ubachs, Physical Review Letters, Vol. 101, Number 16, 17 October 2008.
Alle auteurs zijn werkzaam bij het Laser Centrum van de Vrije Universiteit. Reinhold was er als FOM-postdoc aan verbonden en werkt nu bij het Nationaal instituut voor subatomaire fysica Nikhef.