Strålingstryk med rekyl:Eksperimentelt bevis for en 90 år gammel teori

Lys udøver et vist pres på en krop:solsejl kan dermed drive rumsonder i fremtiden. Imidlertid, når lyspartikler (fotoner) rammer et individuelt molekyle og slår en elektron ud, molekylet flyver mod lyskilden. Atomfysikere ved Goethe Universitet har nu observeret dette for første gang, bekræfter en 90 år gammel teori.

Allerede i det 16. århundrede, den store lærde Johannes Kepler postulerede, at sollys udøvede et vist pres, som halen på kometerne, han observerede, konsekvent pegede væk fra solen. I 2010 brugte den japanske rumsonde Ikaros et solsejl for første gang for at bruge sollysets kraft til at få lidt fart.

Fysisk og intuitivt, lysets eller strålingens tryk kan forklares ved lysets karakteristiske partikel:lyspartikler (fotoner) rammer atomerne i et legeme og overfører en del af deres eget momentum (masse gange hastighed) til det legeme, som dermed bliver hurtigere.

Imidlertid, da fysikere i det 20. århundrede studerede denne momentumoverførsel i laboratoriet under forsøg med fotoner med bestemte bølgelængder, som slog individuelle elektroner ud af atomer, de blev mødt af et overraskende fænomen:momentum for den udstødte elektron var større end for fotonet, der ramte den. Dette er faktisk umuligt - siden Isaac Newton har det været kendt, at inden for et system, for hver kraft skal der eksistere en lige, men modsatrettet kraft:rekylen, så at sige. Af denne grund, München -videnskabsmanden Arnold Sommerfeld konkluderede i 1930, at ekstraudstyret af den udstødte elektron skal komme fra det atom, den efterlod. Dette atom skal flyve i den modsatte retning; med andre ord, mod lyskilden. Imidlertid, dette var umuligt at måle med de tilgængelige instrumenter på det tidspunkt.

Halvfems år senere er det lykkedes for fysikerne i teamet af doktorand Sven Grundmann og professor Reinhard Dörner fra Institut for Kernefysik for første gang at måle denne effekt ved hjælp af COLTRIMS reaktionsmikroskop udviklet ved Goethe University Frankfurt. For at gøre det, de brugte røntgenstråler ved acceleratorerne DESY i Hamburg og ESRF i franske Grenoble, for at slå elektroner ud af helium- og nitrogenmolekyler. De valgte forhold, der kun ville kræve en foton pr. Elektron. I COLTRIMS reaktionsmikroskop, de var i stand til at bestemme momentum for de udstødte elektroner og de ladede helium- og nitrogenatomer - som kaldes ioner - med en hidtil uset præcision.

Professor Reinhard Dörner forklarer:"Vi var ikke kun i stand til at måle ionens momentum, men se også, hvor det kom fra - nemlig fra rekylen af ​​den udstødte elektron. Hvis fotoner i disse kollisionsforsøg har lav energi, fotonmomentet kan negligeres ved teoretisk modellering. Med høje fotonergier, imidlertid, dette fører til upræcision. I vores eksperimenter, det er nu lykkedes os at bestemme energitærsklen for, hvornår fotonmomentum ikke længere må negligeres. Vores eksperimentelle gennembrud giver os mulighed for nu at stille mange flere spørgsmål, såsom hvad der ændrer sig, når energien fordeles mellem to eller flere fotoner. "