Prima Immagine della Funzione d’Onda di Un Atomo di Idrogeno

Ricercatori usano un microscopio quantistico per catturare la prima immagine della funzione d’onda di un atomo.

Funzione d'Onda Atomo

L’immagine della funzione d’onda di un atomo di idrogeno. ( Stodolna et al. Phys. Rev. Lett.)

Un gruppo di ricercatori ha usato un microscopio quantistico a fotoionizzazione per rivelare la forma dell’orbitale di un atomo di idrogeno eccitato evidenziandone direttamente, per la prima volta, la funzione d’onda.

Si tratta di un risultato di grande importanza perché raramente si riescono ad osservare le funzioni d’onda di un atomo.

[Fotoionizzazione :  strappare un elettrone ad un atomo bombardandolo con un fotone]

[Funzione d’onda : soluzione dell’equazione di Schrodinger, serve a descrivere le proprietà microscopiche della materia]

[Equazione di Schroedinger : equazione per conoscere la probabilità di trovare una particella in una certa posizione ad un certo istante]

Infatti, i metodi utilizzati finora distruggono fenomeni come la sovrapposizione delle onde e l’entanglement degli elettroni.

 

Come Vedere la Funzione D’Onda dell’Atomo di Idrogeno

schema-exp-hydrogIn uno studio pubblicato su Physical Review Letters, Aneta Stodolna, del FOM Institute for Atomic and Molecular Physics, Olanda, Marc Vrakking del Max-Born-Institute di Berlino, Germania, ed altri ricercatori europei ed americani hanno effettuato un esperimento per visualizzare la struttura nodale di un atomo di idrogeno.

In particolare, i ricercatori hanno piazzato l’atomo di idrogeno, che ha un solo elettrone, in un campo elettrico. Hanno quindi bombardato l’atomo con degli impulsi laser trasversali, provocando la “fuga” dell’elettrone che segue una particolare traiettoria per raggiungere un rivelatore 2D.

[Altro : Fisici ed Ingegneri Sviluppano Rivoluzionario Laser a Bassa Potenza]

Molte sono le traiettorie descritte dall’elettrone nel raggiungere lo stesso punto sul rivelatore, di conseguenza è possibile osservarne le figure di interferenza che illustrano la forma dell’orbitale atomico dell’idrogeno eccitato e la sua struttura nodale.

Tali figure indicano infatti le zone dell’impatto degli elettroni sul rivelatore e manifestano un comportamento tipico delle onde elettromagnetiche. Le figure sono infatti formate dalle differenze di fase degli elettroni che si comportano come onde, oltre a colpire il rivelatore come particelle.

fotoionizzazione

Lo schema della microscopia a fotoionizzazione che ha permesso di osservare l’orbitale di un atomo di idrogeno eccitato. In blu l’impulso laser (APS/Alan Stonebraker)

Il gruppo ha ingrandito la figura più di 20000 volte per mezzo di una lente a zoom elettrostatico.

 

La Struttura Nodale Dell’Atomo di Idrogeno

strutturanodaleIn pratica quello che si vede è questa figura di accumulazione di impatti a mò di cerchio, una distribuzione spaziale di probabilità di trovare l’elettrone sullo schermo [che ai sensi della meccanica quantistica è proporzionale al modulo quadro della funzione d’onda dell’atomo di idrogeno eccitato].

Quello che il gruppo di ricercatori ha voluto osservare sono le zone in cui questa distribuzione è nulla : i nodi. L’insieme dei nodi e le rispettive posizioni e conformazioni costituisce la struttura nodale.

Nei nodi la probabilità di trovare l’elettrone è zero.

La ricerca di Stodolna et al. dimostra che il numero di nodi nelle figure di interferenza riproduce esattamente la struttura nodale dell’orbitale popolato dall’impulso di eccitazione.

[Orbitale : rappresentazione spaziale della funzione d’onda, è la “nuvola” in cui puoi trovare l’elettrone attorno al nucleo con una probabilità maggiore del 90 %, non puoi tracciare un’orbita precisa per il principio di indeterminazione di Heisenberg]

Orbitali Atomo Idrogeno

Gli Orbitali dell’Atomo di Idrogeno. (wikimedia)

Tutto questo è stato possibile proprio per la particolarità del problema : la funzione d’onda dell’atomo di idrogeno posto nel campo elettrico può essere scritta come il prodotto di due funzioni d’onda che dipendono da speciali coordinate dette paraboliche.

Il fatto rilevante è che la forma di queste due funzioni resta la stessa anche dopo che l’elettrone ha percorso più di mezzo metro, poiché non dipendono dalla forza del campo elettrico.

E puoi vedere su schermo cosa succede dentro ad un minuscolo atomo di idrogeno,

cioè la forma della sua funzione d’onda. [oooooh]

[Altro : Prima Foto Dell’Ombra Di Un Atomo di Itterbio]

 

Risultati dell’Esperimento di Microscopia a Fotoionizzazione Per l’Atomo di Idrogeno

E veniamo ai risultati dell’esperimento. Li puoi vedere nella figura qui sotto.

osservazioni-grafici

In mezzo, le figure d’interferenza calcolate nell’esperimento, dove il numero di nodi [zone scure] corrisponde agli stati di eccitazione descritti dalla funzione d’onda scritta in una coordinata parabolica. A destra, confronto tra le distribuzioni radiali di probabilità teoriche (linee tratteggiate) ed osservate nell’esperimento (linee solide).

Nelle immagini della colonna di mezzo, puoi vedere la visualizzazione su schermo delle misure dei quattro stati eccitati con un numero di nodi pari a 0, 1, 2 e 3 nella funzione d’onda scritta in una delle coordinate paraboliche.

In particolare le frange scure corrispondono ai nodi della funzione d’onda e ne puoi apprezzare la struttura radiale, ad anello, questa è la struttura nodale dell’atomo di idrogeno eccitato.

Le dimensioni qui sono dell’ordine dei millimetri.

Puoi paragonare questi risultati con le immagini della colonna di sinistra su scala micrometrica che mostrano le soluzioni dell’equazione di Schroedinger per il problema in questione e vedere come le strutture nodali sperimentali nascano dalla struttura nodale trasversa dello stato iniziale dell’atomo sottoposto ad eccitazione.

[Micrometrico : dell’ordine del milionesimo di metro]

L’ultima colonna rappresenta le distribuzioni di probabilità per l’elettrone lungo il raggio, sullo schermo : le distribuzioni teoriche ed osservate nell’esperimento presentano quasi la stessa forma : picchi e valli si trovano quasi nelle stesse posizioni.

Questi risultati ci dicono che l‘esperimento conferma molto bene la teoria alla base del problema dell’atomo di idrogeno eccitato posto nel campo elettrico.

 

Cosa Bolle In Pentola : Microscopia a Fotoionizzazione per l’Atomo di Elio

Lo stesso gruppo di ricercatori sta conducendo lo stesso tipo di esperimento sull’atomo di elio, che di elettroni ne presenta due, di cui uno fortemente attaccato al nucleo e l’altro altamente eccitato. La cosa curiosa degli elettroni dell’atomo di elio è che i due elettroni sono “consapevoli” della rispettiva presenza ed in un certo modo “comunicano”.

In pratica l’esperimento potrebbe mostrare il fenomeno dell’entanglement per gli elettroni dell’atomo di elio eccitato.

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Insomma, tutto questo ci dice che la microscopia a fotoionizzazione permette di visualizzare direttamente le caratteristiche orbitali dell’atomo di idrogeno usando un dispositivo macroscopico di imaging e potrebbe favorire lo sviluppo di tecnologie su dimensioni atomiche e molecolari.

via Physics World, American Physical Society

Tutto combacia, tutto scorre, no problem. [oooooh]

 

Lunga Vita e Prosperità – Lo Scientifico

 

 

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