Ceea ce vedeţi în imaginea din stânga (şi mai jos) este prima observare directă a orbitalului electronic din atom, o funcţie de undă reală a atomului! Pentru a obţine această imagine cercetătorii au utilizat un nou microscop cuantic, un nou dispozitiv incredibil care le permite literalmente oamenilor de ştiinţă să privească în lumea cuantică. O structură orbitală reprezintă spaţiul dintr-un atom care este ocupat de un electron.

 

 

Dar atunci când descriu aceste caracteristici super-microscopice ale materiei, oamenii de ştiinţă se bazează pe funcţiile de undă — o metodă matematică de a descrie stările cuantice ale particulelor şi anume cum se comportă acestea în timp şi în spaţiu. În cadrul fizicii cuantice se folosesc, de obicei, formule precum ecuaţia lui Schrödinger pentru a descrie aceste stări şi acestea sunt adeseori însoţite de prezenţa numerelor complexe şi a unor reprezentări grafice complicate.

 

 

Până în prezent oamenii de ştiinţă nu au avut niciodată posibilitatea de a observa de fapt această funcţie de undă. Încercarea de a determina poziţia exactă sau impulsul unui electron din cadrul atomului amintea de încercarea de a prinde cu mâna un roi de muşte, observaţiile directe asupra atomului perturbând coerenţa cuantică. Pentru a surprinde o stare cuantică autentică a fost necesar un instrument care să poată media statistic mai multe măsurători în timp.

 

 

Dar cum se pot mări stările microscopice ale unei particule cuantice? Microscopul cuantic reprezintă răspunsul la această întrebare, după cum arată o echipă internaţională de cercetători, adică un dispozitiv care utilizează microscopia ce se bazează pe efectul ionizant pentru a vizualiza direct structurile atomice.

Aneta Stodolna de la FOM Institute for Atomic and Molecular Physics (AMOLF) din Olanda descrie în Physical Review Letters cum ea şi echipa sa a reuşit să surprindă structura nodală a orbitalului electronic al unui atom de hidrogen plasat într-un câmp electric static.

 

 

După bombardarea atomului cu impulsuri laser, electronii ionizaţi au evadat din acesta şi au urmat o anumită traiectorie către un detector 2D (o placă dublă microcanal [MCP]) amplasată perpendicular pe câmpul electric). Există mai multe traiectorii care pot fi urmate de către electroni pentru a ajunge la acelaşi punct de pe detector, astfel încât cercetătorii au obţinut un set de modele de interferenţă, modele care reflectă structura nodală a funcţiei de undă.

Cercetătorii au reuşit să facă acest lucru utilizând o lentilă electrostatică care a mărit imaginea funcţiei de undă rezultată în acest mod de mai mult de 20.000 de ori.



Patru stări ale atomului de hidrogen sunt prezentate ca exemplu în imaginea de mai sus. În coloana din mijloc se arată măsurătorile experimentale, în timp ce în coloana din dreapta se prezintă calculul ecuaţiei lui Schrödinger dependentă de timp şi ale căror rezultate se potrivesc destul de bine.

Privind în perspectivă, cercetătorii doresc să utilizeze aceeaşi tehnologie pentru a vedea cum reacţionează atomii într-un câmp magnetic. Puteţi citi întregul studiu care a fost publicat în Physical Review Letters sub numele „Hydrogen Atoms under Magnification: Direct Observation of the Nodal Structure of Stark States".

Traducere de Cristian-George Podariu după the-first-image-ever-of-a-hydrogen-atoms-orbital-structure