Fotografie elektronu

Odkrycia

Fotografie elektronu

Aby moŜna fotografować zdarzenia zachodzące szybko, oświetlanie obiektu powinno odbywać się
w krótkich odcinkach czasu. Im są krótsze, tym precyzyjniej odtwarzają ruch. Na początku lat

osiemdziesiątych potrafiono uzyskiwać impulsy trwające nanosekundę (10

-9

sekundy), a pod

koniec tej dekady skrócono ten czas do femtosekundy (10

-15

sekundy). Najszybszy znany do tej

pory "aparat" skonstruował Egipcjanin Ahmed Zewail, który m.in. za to właśnie dokonanie został
w  1999  roku  uhonorowany  Nagrodą  Nobla  z  chemii.  Aparat  składa  się  z  co  najmniej  dwóch
laserów,  które  oświetlają  badaną  próbkę  niezwykle  krótkimi  błyskami  światła.  Pierwszy  z  nich
pobudza  obecne  w  probówce  cząsteczki  do  reakcji.  Drugi  ma  na  celu  "filmowanie"  tego,  co  się
dzieje.  Za  pomocą  aparatu  Zewaila  moŜna  śledzić  przebieg  reakcji  chemicznych  i  obrazy
pojedynczych  atomów  i  cząsteczek.  śadna  reakcja  nie  przebiega  szybciej  niŜ  femtosekundy.
Nowa dyscyplina naukowa została więc nazwana femtochemią.
Dalsze  próby  dotyczyły  jeszcze  szybszych
procesów  -  zachodzących  we  wnętrzach
atomów.

Elektrony

przeskakują

tam

pomiędzy  orbitami  w  czasie  mierzonym  w
attosekundach,  czyli  trylionowych  częściach
sekundy (10 do potęgi minus 18). Odmierza
się  w  nim  np.  tempo  tworzenia  się  i
zrywania wiązań chemicznych.
Kłopot polega na tym, Ŝe nie moŜna uzyskać
impulsu  światła  widzialnego,  który  trwałby
krócej

niŜ

kilka

femtosekund.

Taki

parofemtosekundowy

impuls

jest

juŜ

bowiem  porównywalny  z  długością  jednego
okresu  fali  świetlnej  i  zachodzi  dyfrakcja
czyli  ugięcie  i  zamiast  polepszenia  obrazu
następuje  rozmycie.  PosłuŜono  się  więc
krótszymi  falami  z  zakresu  nadfioletu  i
miękkich promieni Roentgena.
W  zeszłym  roku  naukowcom  z  z  Instytutu
Fotoniki  Politechniki  w  Wiedniu  i  Wydziału
Fizyki Uniwersytetu w Bielefeld w Niemczech
udało  się  uzyskać  impulsy  takiego  światła  o
długości kilkuset attosekund. Zaraz potem te zespoły, pod kierunkiem Ferenca Krausza i Markusa
Dreschera,  zastosowały  tę  technikę,  Ŝeby  po  raz  pierwszy  sfotografować  superszybkie  przeskoki
elektronów w atomie.
Jako  model  do  pierwszej  prezentacji  moŜliwości  ultraszybkiej  fotografii  posłuŜył  atom  kryptonu.
Fizycy po raz pierwszy zarejestrowali zjawisko atomowe odkryte w 1925 r. przez Pierre'a Augera.
Pierwszy  impuls  lasera  wybija  z  atomu  kryptonu  jeden  z  elektronów  krąŜących  w  pobliŜu  jądra.
Pozostaje po nim puste miejsce, które burzy porządek całego atomu. W ciągu kilku femtosekund
do  tej  dziury  spada  i  zapełnia  ją  elektron  z  wyŜszej  orbity.  Takiemu  przeskokowi  powinno
towarzyszyć  wypromieniowanie  kwantu  światła.  Zamiast  niego  jednak  z  kryptonu  wylatuje
elektron zwany elektronem Augera.
Elektron  jest  bardzo  małą  cząstką,  więc  posiada  zarówno  własności  cząsteczkowe  jak  i  falowe.
Dział  fizyki  zajmujący  się  ruchem  cząstki  z  uwzględnieniem  jej  własności  falowych  nazywa  się
mechaniką  kwantową.  W  teorii  falowej  nie  moŜemy  wyróŜnić  toru  cząstki,  moŜemy  jedynie
określić  prawdopodobieństwo  znalezienia  cząstki  w  danym  punkcie  przestrzeni.  Taki  obraz
rozkładu prawdopodobieństwa znalezienia elektronu otrzymali naukowcy.

Zdj

cia protonów

Udało się zarejestrować ruch protonu w czasie 100 attosekund (10

-16

sekundy). Czas ekspozycji

rzędu 100 attosekund naukowcy z Imperial College w Londynie osiągnęli oświetlając obiekt
impulsem specjalnego lasera. Podobną precyzję moŜna porównać do dzielenia odległości od Ziemi
do Jowisza (630 milionów kilometrów) na części szerokości ludzkiego włosa.

Obraz elektronów Augera wylatujących z atomu kryptonu. Elektronów
nie  widzimy  jako  cząstki  lecz  zgodnie  z  mechaniką  kwantową  w
postaci  fali.  Kolor  niebieski  oznacza  duŜe,  a  Ŝółty  małe
prawdopodobieństwo znalezienia cząstki.

Page 1 of 3

Elektron - pierwsze fotografie elektronu

2008-03-29

http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_no4.html

Naukowcy  obserwowali  protony  w  cząsteczkach  wodoru oraz  metanu.  Cząsteczka  wodoru  składa
się  z  dwóch  jego  atomów,  natomiast  cząsteczka  metanu  to  atom  węgla  połączony  z  czterema
atomami  wodoru.  Impuls  światła  laserowego  pozbawia  atom  wodoru  jedynego  elektronu  i
pozostaje tylko proton. Następnie elektron jest znów przyciągany i uwalnia się bardzo krótki błysk
promieniowania  rentgenowskiego.  Na  jego  podstawie  moŜna  odtworzyć  ruch  protonu  w
cząsteczce.  Wyniki  podobnych  eksperymentów  mogą  się  przydać  zarówno  przy  badaniu  reakcji
chemicznych,  jak  i  przy  konstruowaniu  komputerów  kwantowych,  a  nawet  do  tworzenia  nowych
źródeł promieniowania rentgenowskiego.
Opracowano na podstawie internetowych informacji zamieszczonych w

serwisie naukowym portalu

Onet

Dyfrakcja poł

czonych fotonów

Zjawisko  dyfrakcji  polega  na  ugięciu  fali  na  wąskich
szczelinach  lub  obiektach  o  małych  rozmiarach.  Dyfrakcja
zachodzi gdy długości fali jest porównywalna z wielkościami
szczeliny  lub  obiektów  na  które  pada.  Gdy  długość  fali
maleje to dyfrakcja zachodzi słabiej.
Zjawisko  to  jest  negatywne  w  mikroskopach  optycznych.
Przyjmuje  się,  Ŝe  pół  długości  fali  to  maksymalna
rozdzielczość  obserwacji  optycznej.  Wydawało  się,  Ŝe
przyroda  postawiła  optyce  zaporę  nie  do  przekroczenia  i
niezaleŜnie  od  tego,  z  jak  wielką  precyzją  wyszlifujemy
soczewki  czy  skonstruujemy  przyrządy  optyczne,  to  nie
jesteśmy  w  stanie

otrzymać ostrych, nierozmytych

obrazów, na których moŜna by dostrzec najdrobniejsze

nawet  szczegóły.  RównieŜ  przy  odczytywaniu  informacji  na  płytach  kompaktowych  przyrządy
optyczne  nie  są  bowiem  w  stanie  odczytać  zbyt  drobno  i  gęsto  wypalonych  rowków  na
powierzchni  płyt.  Z  tych  samych  powodów  zawodzą  precyzyjne  dalmierze  oparte  na  zjawisku
interferencji, czyli nakładania się i wygaszania fal świetlnych.
Dotychczas  sięgano  do  fal  świetlnych  o  coraz  mniejszej  długości,  które
duŜo  bardziej  opornie  się  uginają.  W  odtwarzaczach  kompaktowych  laser
czerwony  jest  zastępowany  przez

niebieski

(bo ta barwa ma o połowę

krótszą długość fali). Zaś materię w skali atomowej obserwuje się i bada
za

pomocą

bardzo

krótkich

fal

Roentgena

albo

mikroskopów

elektronowych (fale związane z elektronami są kilka rzędów krótsze od fal
widzialnego światła).
Fotony moŜna "połączyć" ze sobą. Taki związek fizycy określają mianem
kwantowego splątania co wykorzystuje się w

teleportacji

. Fotony w grupie

w zagadkowy sposób tworzą jedną całość, mimo Ŝe mogą być oddalone o
miliony  kilometrów  (Albert  Einstein  nazywał  splątanie  "upiornym
oddziaływaniem na odległość", bo nie bardzo w nie wierzył).
Na  podstawie  obliczeń  kwantowo-optycznych  moŜna  pokazać,  Ŝe  kiedy  przez  szczeliny
jednorazowo  przechodzą  tylko  pojedyncze  fotony,  powstaje  dokładnie  taki  sam  obraz
interferencyjny  jak  w  klasycznym  eksperymencie  Younga  (z  tą  tylko  róŜnicą,  Ŝe  obraz
interferencyjny otrzymujemy stopniowo, kropka po kropce - w miarę jak na ekran padają kolejne
fotony). Taki eksperyment wykonała np. grupa Alana Aspecta w 1986 roku.
JednakŜe  optyka  kwantowa  przewiduje  równieŜ,  Ŝe  jeŜeli  fotony  będą  wychodzić  ze  szczelin
parami, albo oba lewą, albo oba prawą, to:
- nie zobaczymy gołym okiem interferencji,
-  wystąpi  tzw.  interferencja  dwufotonowa  (dwa  detektory  ustawione  w  pewnych  miejscach  będą
częściej razem zliczać fotony, za to w innych miejscach nigdy nie będą razem zliczać fotonów),
-  te  zmiany  intensywności  wspólnych  zliczeń  fotonów  będą  się  zachowywać  tak,  jakby  rządziła
tym zjawiskiem fala o długości dwa razy krótszej niŜ długości fali kaŜdego fotonu z osobna.

Taki eksperyment wykonał Rarity i współpracownicy w 1990 roku.
W  kwietniu  2004  roku  poinformowano,  Ŝe  fizycy  z  uniwersytetów  w  Toronto
(zespół  prof.  Steinberga)  uzyskał  splątanie  trzech  fotonów,  a  z  Wiednia  (zespół
prof.  Zeilingera)  splątanie  czterech  fotonów.  Światło  zachowywało  się  w  tym
eksperymencie  w  taki  sposób,  jakby  było  falą  o  odpowiednio  trzy  i  cztery  razy
krótszej  długości.  Co  więcej,  fizycy  twierdzą,  Ŝe  fotony  moŜna  łączyć  w

Dyfrakcja fal na wodzie

Page 2 of 3

Elektron - pierwsze fotografie elektronu

2008-03-29

http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_no4.html