Eenvoudig zonnestelsel in atoom nagebouwd
Elektronen kunnen om de atoomkern draaien op dezelfde manier als een klasse asteroïden rond de zon draait. Zo kunnen we mogelijk bizarre chemische reacties laten plaatsvinden die nu technisch niet mogelijk zijn.
Vlak na de ontdekking van Rutherford dat atomen voornamelijk uit lege ruimte bestaan, werd het vroege atoommodel van Bohr ontwikkeld. In dit model draaien de elektronen om de atoomkern als planeten om de zon. We weten nu dat dat onzin is: kwantumonzekerheid maakt de plaats van een elektron zo onzeker dat deze een waarschijnlijkheidswolk vormt.
- Rydberg atomen zijn zo groot dat elektronen zich toch weer klassiek gaan gedragen. Bron: universiteit Stuttgart.
Tenzij je het atoom zeer groot maakt. Zogeheten Rydberg atomen zijn atomen waarbij één of meerdere elektronen ‘aangeslagen’ zijn door bijvoorbeeld een foton en daardoor in een wijdere ‘baan’ springen. Rydberg atomen zijn extreem groot, vaak wel een halve millimeter groot. De elektronen krijgen zoveel energie mee dat ze nog net in een baan om de atoomkern blijven. Deze afstand is zo groot dat het elektron zich ‘klassiek’ gaat gedragen, m.a.w. net als een planeet een baan om de atoomkern aflegt.
Onderzoekers, geleid door Brendan Wyker van Rice University in Houston, Texas, hebben een atoom in elkaar gezet dat veel weg heeft van het zonnestelsel. Wolken elektronen draaien op dezelfde manier om de kern als Trojaanse asteroïden, die zich in de omloopbaan van Jupiter bevinden op de Lagrangepunten (op éénzesde voor en na Jupiter). “We weten nu dat we een zonnesnelsel kunnen nabootsen in een atoom”, aldus teamlid Barry Dunning van dezelfde universiteit
Om dit voor elkaar te krijgen richtten ze elektrische pulsen op het elektron dat de lokatie inperkt tot een nauw, kommavormige band aan een kant van de atoomkern, ongeveer waar de Trojaanse asteroïden uithangen. Een tweede elektrisch veld dwong het elektron een cirkelbaan om de atoomkern af te leggen.
De baan van het elektron kan met dezelfde (Newtoniaanse) bewegingsvergelijkingen beschreven worden als de omloopbaan van planeten, aldus de groep. Hoewel het uiteraard om een spectaculair experiment gaat, is het uiteindelijke doel chemische reacties gerichter te kunnen sturen. Je zou zo een molecuul atoom voor atoom heel precies kunnen opbouwen. Dit is ook voor nanotechnologie heel interessant. Apparaten op nanoschaal zijn in feite grote moleculen.
Bron:
Wyker et al., Creating and Transporting Trojan Wave Packets, Physical Review Letters (2012)