Undersøgelse af materiens bølgeegenskaber med vibrerende molekyler

Arbejdsgruppen ledet af prof. Stephan Schiller, Ph.d. fra Heinrich Heine University Düsseldorf (HHU) har brugt en roman, laserspektroskopisk eksperiment med høj præcision til måling af den indre vibration af det enkleste molekyle. Dette gjorde det muligt for forskerne at undersøge bølge karakteren af ​​atomkernenes bevægelse med en hidtil uset nøjagtighed. De præsenterer deres fund i den aktuelle udgave af Naturfysik .

For næsten 100 år siden, en revolutionær opdagelse blev gjort inden for fysik:mikroskopisk stof udviser bølgeegenskaber. Gennem årtierne, mere og mere præcise eksperimenter er blevet brugt til at måle bølgeegenskaberne for især elektroner. Disse eksperimenter var for det meste baseret på spektroskopisk analyse af brintatomet, og de gjorde det muligt at verificere nøjagtigheden af ​​elektronens kvanteteori.

For tunge elementarpartikler - f.eks. Protoner - og nuklider (atomkerner), det er svært at måle deres bølgeegenskaber præcist. I princippet, imidlertid, disse egenskaber kan ses overalt. I molekyler, atomkernenes bølgeegenskaber er indlysende og kan observeres i atomkernernes indre vibrationer mod hinanden. Sådanne vibrationer aktiveres af elektronerne i molekyler, der skaber en binding mellem kernerne, der er 'blød' snarere end stiv. For eksempel, kernevibrationer forekommer i hver molekylær gas under normale forhold, såsom i luften.

Kernernes bølgeegenskaber demonstreres ved, at vibrationen ikke kan have en vilkårlig styrke - dvs. energi - som det ville være tilfældet med et pendul f.eks. I stedet, kun præcist, diskrete værdier kendt som "kvantiserede" værdier er mulige for energien.

Et kvantespring fra den laveste vibrationelle energitilstand til en højere energitilstand kan opnås ved at udstråle lys til molekylet, hvis bølgelængde er præcist indstillet, så den svarer nøjagtigt til energiforskellen mellem de to tilstande.

For at undersøge nukliders bølgeegenskaber meget præcist, man har brug for både en meget præcis målemetode og en meget præcis viden om bindingskræfterne i det specifikke molekyle, fordi disse bestemmer detaljerne i nuklidernes bølgebevægelse. Dette gør det derefter muligt at teste grundlæggende naturlove ved at sammenligne deres specifikke udsagn for det undersøgte nuklid med måleresultaterne.

Desværre, det er endnu ikke muligt at lave præcise teoretiske forudsigelser vedrørende molekylers bindende kræfter generelt - kvanteteorien, der skal anvendes, er matematisk for kompleks til at håndtere. Følgelig, det er ikke muligt at undersøge bølgeegenskaberne i et givet molekyle nøjagtigt. Dette kan kun opnås med særligt simple molekyler.

Sammen med sin mangeårige samarbejdspartner V. I. Korobov fra Bogoliubov Laboratory of Theoretical Physics ved Joint Institute for Nuclear Research i Dubna, Rusland, Prof. Schillers forskerhold er dedikeret til netop et sådant molekyle, nemlig brintmolekylionen HD+. HD+ består af en proton (p) og nuklidet deuteron (d). De to er forbundet med en enkelt elektron. Den relative enkelhed af dette molekyle betyder, at ekstremt nøjagtige teoretiske beregninger nu kan udføres. Det var V.I. Korobov, der opnåede dette, efter at have forfinet sine beregninger kontinuerligt i over tyve år.

For ladede molekyler, såsom brintmolekylet, en tilgængelig, men meget præcis måleteknik eksisterede først for nylig. Sidste år, imidlertid, teamet ledet af prof. Schiller udviklede en ny spektroskopiteknik til undersøgelse af rotation af molekylære ioner. Den anvendte stråling kaldes derefter "terahertz -stråling, "med en bølgelængde på ca. 0,2 mm.

Teamet har nu kunnet vise, at den samme fremgangsmåde også virker til excitation af molekylære vibrationer ved hjælp af stråling med en bølgelængde, der er 50 gange kortere. At gøre dette, de måtte udvikle en særlig frekvensskarp laser, der er en af ​​slagsen på verdensplan.

De demonstrerede, at denne udvidede spektroskopiteknik har en opløsningskapacitet for strålingsbølgelængden for vibrationel excitation, der er 10, 000 gange højere end i tidligere teknikker, der blev brugt til molekylære ioner. Systematiske forstyrrelser af molekylionernes vibrationstilstande, for eksempel gennem interfererende elektriske og magnetiske felter, kunne også undertrykkes med en faktor 400.

Ultimativt, det fremgik, at forudsigelsen af ​​kvanteteorien vedrørende atomen i atomkernerne proton og deuteron var i overensstemmelse med eksperimentet med en relativ unøjagtighed på mindre end 3 dele i 100 milliarder dele.

Hvis det antages, at V.I. Korobovs forudsigelse baseret på kvanteteori er fuldendt, resultatet af eksperimentet kan også tolkes forskelligt - nemlig som bestemmelsen af ​​forholdet mellem elektronmasse og protonmasse. Den afledte værdi svarer meget godt til de værdier, der bestemmes ved forsøg fra andre arbejdsgrupper ved hjælp af helt forskellige måleteknikker.

Professor Schiller understreger:"Vi var overraskede over, hvor godt eksperimentet fungerede. Og vi mener, at den teknologi, vi udviklede, ikke kun kan anvendes på vores 'specielle' molekyle, men også i en meget bredere kontekst. Det bliver spændende at se, hvor hurtigt teknologien vedtages af andre arbejdsgrupper. "