برای اولین بار مشاهده‌ی مستقیم ساختار اربیتالیِ اتم هیدروژنِ برانگیخته توسط تیمی بین‌المللی از محققان فراهم شد. این مشاهده با استفاده از «میکروسکوپ کوانتومی» که به‌تازگی توسعه یافته محقق شده و در آن از «ذره‌بینیِ فوتویونشی» (photoionization microscopy)  برای تجسم این ساختار استفاده شده است. نمایشی که این تیم از آن استفاده کرده‌اند اثبات می کند که ذره‌بینیِ فوتویونشی را می‌توان به شکل آزمایشگاهی تحقق بخشید و از آن به عنوان ابزاری برای جستجوی پیچیدگی‌های خاص مکانیک کوانتومی بهره برد.

جریان اطلاعات

تابع موج٬ انگاره‌ی اصلی نظریه کوانتوم به حساب می‌آید. به بیان ساده‌تر تابع موج حداکثر دانشی است که از حالت یک سیستم کوانتومی خبر می‌دهد. به ویژه این‌که تابع موج جواب معادله‌ی شرودینگر است. مجذور تابع موج احتمال این را نشان می دهد که یک ذره در یک زمان خاص دقیقاً در کجا می‌تواند باشد. هرچند این کمیت به شکل چشم‌گیری در نظریه کوانتوم ظاهر می‌شود اما چون هر مشاهده‌ی مستقیمی موجب تخریب تابع موج (قبل از آن‌که کاملاً مشاهده شود) می‌گردد بنابراین اندازه‌گیری مستقیم یا مشاهده‌ی آن کار چندان ساده‌ای نیست.

 

چه چیزی داخل اتم هیدوژن قرار گرفته است؟

در سال‌های گذشته آزمایش‌های «بسته‌موج ریدبرگ» سعی در آن داشته اند تا با استفاده از پالس‌های لیزری فوق سریع٬ تابع موج را مشاهده کنند. در این آزمایش‌ها اتم‌ها در یک برهم‌نهی از «حالات ریدبرگ» با برانگیختگی‌ِ بالا قرار می‌گیرند. نتایج این آزمایش‌ها نشان می‌دهد که اربیتال‌های الکترونی متناوبی که حول هسته وجود دارند را می‌توان با استفاده از برهم‌نهی همدوس حالات پایای مکانیک کوانتومی توصیف کرد. تابع موجی که به هریک از این حالات نسبت داده می‌شود یک موج ایستاده با الگوی گرهی است (یک گره جایی است که احتمال یافتن الکترون در آن صفر است) و اعداد کوانتومی آن حالت را نشان می‌دهند. هرچند آزمایش‌های قبلی در تلاش بوده‌اند تا به تابع موج و یا الگوهای گرهی دست یابند اما این روش‌ها موفقیت آمیز نبوده است. مشاهده‌ی مستقیم ساختار گرهی یک تک اتم بسیار دشوار به نظر می‌رسد.

ترسیم امواج

آنِتا استدولنا (Aneta Stodolna) از موسسه فیزیک مولکولی و اتمی FOM در هلند همراه با مارک رکینگ (Marc Vrakking) از موسسه ماکس- بورن در برلین آلمان و دیگر همکارانش در اروپا و آمریکا نشان داده‌اند که ذره‌بینیِ فوتویونشی می‌تواند به شکل مستقیم ساختار گرهیِ اربیتال‌های الکترونیِ اتم هیدروژن (که در معرض میدان الکتریکی ایستا قرار دارد) را بدست دهد. در این آزمایش اتم هیدروژن در میدان الکتریکی E قرار می‌گیرد و توسط پالس لیزری برانگیخته می‌شود. الکترون یونیزه شده از اتم گریخته و مسیر حرکت ویژه‌ای را به سوی آشکارساز طی می‌کند؛ یک آشکارساز صفحه‌ای دو میکروکانالی (MCP) که بر میدان عمود است. چون تعدادپرتابه‌های زیادی به نقطه‌ی یکسانی در آشکارساز می رسند لذا الگوهای تداخلی را می‌توان مشاهده کرد. این تیم با استفاده از عدسی‌های دارای قابلیت زوم الکترواستاتیک این الگوهای تداخلی را به اندازه‌ی ۲۰۰۰۰ برابر بزرگ‌نمایی کرده‌اند. این الگوهای تداخلی مستقیماً ساختار گرهی تابع موج را نمایش می‌دهند. این آزمایش‌ها هم با یونش مشدد شامل یک حالت ریدبرگ و هم با یونش بدون تشدید انجام یافته‌اند.

                                 چشم اتم

این تیم تحقیقاتی اتم هیدروژن را به دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد آن انتخاب کرده‌اند. به گفته‌ی رکینگ:«اتم‌های هیدروژن بسیار عجیب‌اند... هیدروژن تنها یک الکترون دارد که آن هم توسط یک نیروی خالص کولمبی با هسته اندرکنش دارد. وقتی اتم هیدروژن را در یک میدان DC قرار می‌دهیم ساختار ویژه‌ای دارد.» وی بر آن است تا توضیح دهد که به یُمن وضعیت تک الکترونیِ اتم هیدروژن٬ تابع موج آن را می‌توان به شکل حاصلضرب دو تابع موج نوشت. این تابع موج چگونگی تغییر حالت اتم را به عنوان تابعی از دو مختصه (مختصات سهموی) توصیف می‌کند. هامیلتونین اتم هیدروژن (در یک میدان الکتریکی خارجی) شکافتگی‌ِ سطوح انرژی آن را توصیف می‌کند که به «اثر اشتارک» معروف است. از همه مهم‌تر این «هامیلتونین اشتارکی» دقیقاً قابل جداسازی در قالب دو مختصه‌ی سهموی است که ترکیب خطی از فاصله‌ی الکترون از هسته‌ی هیدروژن (r) و جابجایی الکترون از محور میدان الکتریکی (z) است.

رکینگ به physicsworld.com می‌گوید شکل دو تابع موج سهموی «کاملاً مستقل از شدت میدان است بنابراین اتم از مکانی که یونش رخ می‌دهد تا این‌که به آشکارساز برسد بدون تغیر باقی می‌ماند. وی توضیح می‌دهد که این موضوع جهت مقیاس گذاری توزیع فضایی برای بزرگ نمایی الگوهای گرهی تا ابعاد میلی‌متری (قابل مشاهده با چشم غیرمسلح بر روی آشکارساز دوبعدی و ثبت کردن با سیستم دوربینی) بسیار مهم است. به گفته‌ی وی: «آن‌چه که در آشکارساز می‌بینید همان چیزی است که در آن اتم‌ها وجود دارد.» این گروه صدها هزار از رویدادهای یونش را برای دست یافتن نتایج خود مورد مشاهده قرار داده‌اند.

چه چیزی در درون اتم نهفته است

تصویری که بر بالای این مقاله قرار دارد نتیجه‌ی اصلی این تیم را نشان می‌دهد؛ داده‌های خام دوربین که در نتیجه چهار اندازه‌گیری مختلف حاصل شده‌اند و در آن‌ها اتم‌های هیدروژن به حالت‌هایی با یک٬ دو و سه گره در تابع موج (برای هر یک از مختصه‌های سهموی) برانگیخته شده‌اند. به بیان رکینگ: «اگر به تصاویری که بر روی آشکارساز قرار دارد نگاه کنید به راحتی گره‌ها را تشخیص می‌دهید و ساختار شعاعی و حلقه‌مانند آن را می‌بینید.»

وی همچنین «تفاوت فاحش» بین عکس‌هایی که به واسطه‌ی برانگیختگی‌های مشدد گرفته شده و عکس‌هایی که با برانگیختگی غیرمشدد ثبت شده (عکس سمت راست) را مورد توجه قرار داده و آن ها را مقایسه‌ای بین اندازه‌گیری یک تک گره مشدد و دو گره غیرمشدد٬ می‌داند. تصاویر A و C پس از یونش غیرمشدد گرفته ‌شده‌اند درحالی‌که برای تصویر مرکزی (B) لیزر برای تشدیدی با دو گره در تابع موج تنظیم شده است. برای یونش مشدد بیرونی‌ترین حلقه در مقایسه با دو حلقه‌ی دیگر عمدتاً به شکل شعاعی گسترش می‌یابد. چیزی که توسط نوع ویژه‌ای از اثر تونل‌زنی توضیح داده می‌شود.

به گفته‌ی رکینگ هدف نهایی این تحقیق مطالعه و تجسم اتم هیدروژن بوده است. این آزمایش‌ها ممکن است چگونگی اندرکنش اتم با یک میدان مغناطیسی٬ مطالعه دینامیک تفکیک‌زمانی (time-resolved) الکترون٬ تحقیق ذره‌بینیِ تداخلی هولوگرافیک و شاید حتی دیدن مولکول‌ها با استفاده از ذره‌بینی فوتویونشی را مورد مطالعه قرار دهد.

هلیوم زیر ذره‌بین

در حال حاضر محققان مشغول مطالعه و تحلیل یک اتم هلیوم با استفاده از ذره‌بینی فوتویونشی هستند و مقاله‌ای در این رابطه در ماه‌های پیش‌رو به چاپ خواهد رسید. به گفته‌ی رکینگ:«چون دو الکترون دریک اتم هلیوم وجود دارد٬ اطلاعات بسیار جالبی را بدست می‌آوریم.» به بیان او هرچند از بعضی از جنبه‌ها پاسخ‌ اتم هلیوم بسیار شبیه به آن چیزی است که از اتم هیدروژن دیدیم اما بعضی تفاوت‌های اساسی هم دیده می‌شود. به گفته‌ی وی :«اگرچه یکی از الکترون‌های اتم هلیوم بسیار محکم به هسته مقید شده و دیگری به شدت برانگیخته شده٬ می‌بینیم که الکترو‌ن‌ها از وجود همدیگر خبر داشته و با همدیگر صحبت می‌کنند» و این به این تیم اجازه خواهد داد تا «درهم‌تنیدگی‌ِ الکترون‌ها را ببینند.»

این تحقیق در مجله‌ی فیزیکال ریویو لیترز به چاپ رسیده است.

درباره‌ی نویسنده:

تاشنا کمیساریای (Tushna Commissariat) گزارشگر physicsworld.com است.

منبع:

 http://physicsworld.com/cws/article/news/2013/may/23/quantum-microscope-peers-into-the-hydrogen-atom