Odkrycia

Fotografie elektronu

Aby można 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 można śledzić przebieg reakcji chemicznych i obrazy
pojedynczych atomów i cząsteczek. śadna reakcja nie przebiega szybciej niż 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, że nie można uzyskać
impulsu światła widzialnego, który trwałby
krócej

niż

kilka

femtosekund.

Taki

parofemtosekundowy

impuls

jest

już

bowiem porównywalny z długością jednego
okresu fali świetlnej i zachodzi dyfrakcja
czyli ugięcie i zamiast polepszenia obrazu
następuje rozmycie. Posłużono 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, żeby po raz pierwszy sfotografować superszybkie przeskoki
elektronów w atomie.
Jako model do pierwszej prezentacji możliwości ultraszybkiej fotografii posłużył 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 krążących w pobliżu jądra.
Pozostaje po nim puste miejsce, które burzy porządek całego atomu. W ciągu kilku femtosekund
do tej dziury spada i zapełnia ją elektron z wyższej 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 możemy wyróżnić toru cząstki, możemy jedynie
określić prawdopodobieństwo znalezienia cząstki w danym punkcie przestrzeni. Taki obraz
rozkładu prawdopodobieństwa znalezienia elektronu otrzymali naukowcy.

Zdj

ę

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 można 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 duże, a żółty 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 można 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

ą

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, że pół długości fali to maksymalna
rozdzielczość obserwacji optycznej. Wydawało się, że
przyroda postawiła optyce zaporę nie do przekroczenia i
niezależnie od tego, z jak wielką precyzją wyszlifujemy
soczewki czy skonstruujemy przyrządy optyczne, to nie
jesteśmy w stanie

otrzymać ostrych, nierozmytych

obrazów, na których można by dostrzec najdrobniejsze

nawet szczegóły. Również 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
dużo 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 można "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 że 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 można pokazać, że kiedy przez szczeliny
jednorazowo przechodzą tylko pojedyncze fotony, powstaje dokładnie taki sam obraz
interferencyjny jak w klasycznym eksperymencie Younga (z tą tylko różnicą, że 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.
Jednakże optyka kwantowa przewiduje również, że jeżeli 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 niż długości fali każdego fotonu z osobna.

Taki eksperyment wykonał Rarity i współpracownicy w 1990 roku.
W kwietniu 2004 roku poinformowano, że 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, że fotony można 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

liczniejsze grupy i jeszcze bardziej zmniejszyć długość fali.
Uzyskanie splątanych grup fotonów pozwoli zmniejszyć skutki dyfrakcji w mikroskopii,
zapisywaniu informacji i pomiarach odległości. Być może też powstaną bardziej czułe detektory
do wykrywania

fal grawitacyjnych

, które opierają się na interferencji.

Opracowano na podstawie

serwisu naukowego Gazety Wyborczej

Odkrycia

Page 3 of 3

Elektron - pierwsze fotografie elektronu

2008-03-29

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