Στα όρια της «αττοφυσικής»

Posted on 14/11/2016

0


Για πρώτη φορά oι φυσικοί χρονομέτρησαν μια μεταβολή στο εσωτερικό ατόμου με ακρίβεια μερικών τρισεκατομμυριοστών του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου. Προσδιόρισαν το χρονικό διάστημα που απαιτείται για να πραγματοποιηθεί ο ιονισμός ατόμου ηλίου με ακρίβεια μερικών zeptoseconds – ζεπτοδευτερόλεπτα (1 zeptosecond=10−21 sec).

Άπαξ και ένα ηλεκτρόνιο αποσπαστεί από ένα άτομο ηλίου εξαιτίας της πρόσπτωσης φωτονίου, είναι δυνατόν να υπολογιστεί η πιθανή θέση του εναπομείναντος ηλεκτρονίου. Η πιθανότερη θέση του ηλεκτρονίου φαίνεται στην παραπάνω εικόνα ως η φωτεινότερη περιοχή γύρω από τον πυρήνα, ο οποίος δεν είναι ορατός στην εικόνα

Άπαξ και ένα ηλεκτρόνιο αποσπαστεί από ένα άτομο ηλίου, εξαιτίας της πρόσπτωσης φωτονίου, είναι δυνατόν να προσδιοριστούν οι πιθανές θέσεις του εναπομείναντος ηλεκτρονίου. Οι πιθανότερες θέσεις του ηλεκτρονίου παριστάνονται με την φωτεινότερη περιοχή γύρω από τον πυρήνα, ο οποίος δεν είναι ορατός στην εικόνα

Όταν φως συγκεκριμένης συχνότητας προσπίπτει σε ένα άτομο τότε είναι δυνατόν να προκαλέσει τον ιονισμό του, δηλαδή να αποσπαστεί ένα ηλεκτρόνιο από το άτομο. Ο φωτοϊονισμός είναι φαινόμενο του οποίου η διάρκεια είναι αφάνταστα μικρή. Οι φυσικοί του Ινστιτούτου Κβαντικής Οπτικής Μαξ Πλανκ στο Γκάρτσινγκ, του Τεχνικού Πανεπιστημίου και του Πανεπιστημίου Λούντβιχ Μαξιμίλιανς του Μονάχου, κατόρθωσαν για πρώτη φορά να εκτιμήσουν την διάρκεια ενός τέτοιου ατομικού φαινομένου με πρωτοφανή ακρίβεια για μια απευθείας αλληλεπίδραση του φωτός με την ύλη [M. Ossiander et al, «Attosecond correlation dynamics» ].

Αν ένα σωματίδιο φωτός (φωτόνιο) αλληλεπιδράσει με άτομο ηλίου που διαθέτει δυο ηλεκτρόνια, οι αλλαγές που θα συμβούν γίνονται σχεδόν ακαριαία και περιγράφονται μόνο διαμέσου της κβαντομηχανικής. Το φωτόνιο μπορεί να απορροφηθεί και κάποιο από τα δυο ηλεκτρόνια να διεγερθεί απορροφώντας την ενέργεια του φωτονίου ή αυτή να κατανεμηθεί μεταξύ τους. Εφόσον η ενέργεια του φωτονίου είναι η κατάλληλη, τότε είναι δυνατόν ένα ηλεκτρόνιο να αποβληθεί από το άτομο του ηλίου.

Οι μετρήσεις των φυσικών δείχνουν ότι ο φωτοϊονισμός, από την στιγμή που το φωτόνιο αλληλεπιδρά με το άτομο μέχρι τη στιγμή που το ηλεκτρόνιο εγκαταλείπει το άτομο, διαρκεί από 5 έως 15 attoseconds – αττοδευτερόλεπτα (1 attosecond = 10-18 sec). Οι ερευνητές Ossiander et al, κατεύθυναν σε άτομο ηλίου έναν σύντομο παλμό υπεριώδους φωτός λέιζερ, με διάρκεια της τάξης των attosecond, για να προκαλέσουν τον ιονισμό του. Ταυτόχρονα, εκτόξευαν στον ίδιο στόχο έναν δεύτερο παλμό υπέρυθρου φωτός λέιζερ, διάρκειας περίπου 4 femtoseconds – φεμτοδευτερόλεπτα (1 femtosecond=10-15 sec) για να ανιχνεύσουν το ηλεκτρόνιο που αποσπάστηκε.

Τελικά, οι μετρήσεις της διάρκειας του φωτοϊονισμού των Ossiander et al είχαν ακρίβεια της τάξης των zeptoseconds (10−21 sec).  Επιπλέον, κατάφεραν να προσδιορίσουν για πρώτη φορά το πως κατανέμεται η απορροφούμενη ενέργεια του προσπίπτοντος φωτονίου μεταξύ των δυο ηλεκτρονίων του ατόμου του ηλίου στα τελευταία attoseconds πριν την εκπομπή του ενός εκ των δυο. Υπενθυμίζεται ότι το άτομο του ηλίου είναι μεν ένα πολύπλοκο κβαντικό σύστημα, αλλά οι ιδιότητές του μπορούν να υπολογιστούν πλήρως από την κβαντική θεωρία και στην περίπτωσή του μπορεί συγκριθεί η θεωρία με το πείραμα.

Οι μετρήσεις χρονικών διαστημάτων της τάξης μεγέθους των αττοδευτερολέπτων ανήκουν σε έναν νέο κλάδο φυσικής, που αναφέρεται ως «attophysics – αττοφυσική». Η αττοφυσική εφαρμόζεται σε κβαντικά συστήματα και μελετά ατομικά και μοριακά φαινόμενα των οποίων η διάρκεια είναι υπερβολικά μικρή.

Ο προσδιορισμός της χρονικής διάρκειας του φωτοϊονισμού στο άτομο του ηλίου από τους Ossiander et al, είχε μια ακρίβεια καλύτερη από το 1/25 της ατομικής μονάδας χρόνου(*). Κι αυτό είναι ένα ακόμα βήμα προς τα όρια της αττοφυσικής.

(*) 1 ατομική μονάδα χρόνου= α0/v0 ~ 2.4×10-17 sec, όπου α0 η ατομική ακτίνα Bohr και v0 η ταχύτητα ηλεκτρονίου  του ατόμου υδρογόνου στην 1η τροχιά Bohr

πηγή: https://www.en.uni-muenchen.de/news/newsarchiv/2016/schultze_zeptosekunden.html