كيف تتحرك الإلكترونات

الباحثون يطورون طريقة قياس جديدة

إنتاج ومضات ضوء أتوسكوند لمراقبة حركات الإلكترون © Thorsten Naeser / MPQ
قراءة بصوت عال

لفهم الذرة أو الجزيء ، لا يحتاج الفيزيائيون فقط إلى معرفة بنيتهم ​​الداخلية ، ولكن أيضًا لكي يكونوا قادرين على وصف حركة الإلكترونات. نظرًا للسرعة العالية للغاية ، لم يكن هذا ممكنًا حتى الآن. الآن قام فريق بحث أوروبي بتطوير طريقة قياس لهذا الغرض. يقدمهم العلماء بالتفصيل في مجلة "Physical Review Letters" لأول مرة.

على مستوى الذرات والجزيئات ، لم يعد مفهومنا اليومي للعالم يعمل. عادة ما يُعتقد أن الإلكترون كجسيم صغير. يقول البروفيسور مارك فراككينج من معهد ماكس بورن للبصريات اللاخطية والطيف القصير النبضي (MBI) في برلين: "هذا كل شيء أيضًا". "لكن لفهم ذلك ، في بعض الأحيان علينا أن ننظر إليه من وجهة النظر الميكانيكية الكم ونتخيله كحزمة موجية."

يمكن للفيزيائيين بعد ذلك استخدام هذه الفكرة المجردة لشرح الظواهر التي تتزامن لاحقًا مع أفكارنا اليومية.

حركة الإلكترون لا يمكن ملاحظتها مباشرة

نظرًا لأنه لا يمكن للمرء مراقبة حركة الإلكترون مباشرةً لأنها سريعة جدًا ، فقد قام فريق البحث الأوروبي بقياس خصائص الإلكترون كحزمة موجية. بمجرد أن عرفوا كل خصائص حزمة الموجة هذه ، أصبحوا قادرين على اشتقاق منها الحركة الكاملة للإلكترون.

بالنسبة للتجربة ، استخدم العلماء مبدأ تراكب الأمواج ، ما يسمى بالتداخل. لقد اتبعوا نفس الإجراء كما في تجارب أشعة الضوء ، حيث يسقط الضوء العادي خلال شقين ويمكن رؤية خطوط الضوء والظلام على الشاشة خلفه. تتصرف أشعة الضوء مثل الأمواج - عندما تلتقي أمواجان ، شريط ساطع ، قمة موجة وحوض موجة يرفعان ويظهران على شكل شريط داكن. عرض

نبض الليزر تطلق الإلكترون من الذرة

لتوصيف رزمة موجية ، نظرًا لأن الفيزيائيين ينظرون إلى الإلكترون ، قاموا أولاً بإنشاء رزمة موجية ثانية ، تشبه الفتحة الثانية لشعاع الضوء: مع نبضة ليزرية ثانية ، قاموا بإطلاق إلكترون من الذرة قيد الدراسة. يدوم نبض الليزر الأتوسيكوندي المليار من المليار من الثانية.

نظرًا لأن الباحثين يتحكمون في هذا النبضة الليزرية ، فإنهم يعرفون الآن خصائص الإلكترون المنطلق - وبالتالي حزمة الموجة ، كما يتصورون. الآن قم بتركيب حزمة الموجة التي تم إنشاؤها باستخدام حزمة الموجة غير المعروفة ، يمكنك إغلاقها من نمط التداخل على الخصائص غير المعروفة.

تم شرح هذه الطريقة بواسطة Matthias Kling من مختبر الفيزياء Attosecond في معهد ماكس بلانك للبصريات الكمومية: pattern للحصول على نمط تداخل ذي مغزى كان علينا أولاً فتح حزمة الموجة غير المعروفة رفع نفس مستوى الطاقة مثل رزمة الموجة المعروفة التي تم إنشاؤها سابقًا من قبلنا ، والتي لديها طاقة أكثر بكثير من خلال نبض الليزر الأتوسيكوند من رزمة الموجة غير المعروفة في حالتها الأصلية. لجعل هذا التدخل ، استخدمنا نبض ليزر الأشعة تحت الحمراء

تراكب حزم الموجة المكافئة

في حالة وجود اختلافات كبيرة جدًا في الطاقة ، لا يوجد نمط تداخل حقيقي - سيكون هذا كما لو كان من الممكن اكتشاف أشعة الضوء التي انخفض فيها الضوء. من خلال تركيب الحزم الموجية المتكافئة ، تمكن الباحثون من حساب النمط المعروف وبالتالي الحصول على النمط غير المعروف.

من أجل توصيف رزمة الموجة ، يجب أن يعرف الفيزيائيون حالاتها المختلفة ويعرفوا حجم هذه الحالات في رزمة الموجة. "نحن ندعو أن سكان الولايات" ، كما يقول Vrakking. بالإضافة إلى ذلك ، يجب معرفة مراحل الأمواج ، أي التحول الزمني ضد بعضها البعض. عندما يعلمون هذه العوامل ، يعود العلماء إلى خيالنا الطبيعي ويصفون الحركة الكاملة للإلكترونات ، والتي يمكن اعتبارها جسيمات مرة أخرى.

(idw - Forschungsverbund Berlin، 12.08.2010 - DLO)