Και όμως, τα ηλεκτρόνια ενός ατόμου μπορούν να κινούνται όπως οι πλανήτες του ηλιακού συστήματος

Από την ιστοσελίδα Physical Review Focus , Απρίλιος 2004

Μερικές ιδέες επαναφέρονται περιοδικά σαν τους πλανήτες γύρω από τον ήλιο. Στα 1920 οι άνθρωποι που επινόησαν την κβαντομηχανική, κατέρριψαν την ιδέα ότι ένα άτομο μοιάζει με ένα μικροσκοπικό ηλιακό σύστημα.

Ενώ οι πλανήτες περιφέρονται γύρω από τον ήλιο σε ελλειπτικές τροχιές, τα ηλεκτρόνια βρίσκονται γύρω από τον πυρήνα σαν κύματα με μορφή συγκεχυμένων νεφών που τα λέμε τροχιακά.

Τα τροχιακά αυτά περιγράφουν μόνο την πιθανότητα να βρούμε το ηλεκτρόνιο σε διαφορετικά σημεία εντός του ατόμου. Τα τροχιακά αυτά όμως μπορούν να συνδυαστούν για να σχηματίσουν ένα κυματοπακέτο περιορισμένης έκτασης που περιέχει τα ηλεκτρόνια, και περιφέρεται πραγματικά γύρω από τον πυρήνα σαν ένας πλανήτης. Η παρατήρηση αυτή επιβεβαιώνει μια σύνδεση μεταξύ της κβαντικής και της κλασσικής επικράτειας.  

Παρά τις αβεβαιότητες της κβαντομηχανικής, ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να περιφέρεται γύρω από τον ατομικό πυρήνα σαν ένας πλανήτης γύρω από τον Ήλιο. Στην εικόνα φαίνεται ένα κυματοπακέτο του περιφερόμενου ηλεκτρονίου. Πειράματα απέδειξαν το φαινόμενο αυτό πιο καθαρά από κάθε άλλη φορά.  (Μπορείτε να δείτε και το παρακάτω  video .)

Σύμφωνα με την κβαντομηχανική, μικροσκοπικά αντικείμενα όπως τα ηλεκτρόνια δεν έχουν ακριβείς τροχιές. Πρέπει μάλλον να περιγράφονται με κβαντομηχανικά κύματα πιθανότητας. Πρέπει όμως η κβαντική και η κλασσική περιγραφή να συναντιούνται ομαλά, κι έτσι θα πρέπει τα κβαντικά κύματα να μιμούνται με κάποιο τρόπο μια κλασσική τροχιά. 

Ο Αυστριακός πατέρας της κβαντομηχανικής Erwin Schrödinger ισχυριζόταν ότι πράγματι η κβαντομηχανική οδηγούσε σε κάτι τέτοιο. Αναλύοντας το κβαντομηχανικό ανάλογο μιας μάζας στην άκρη ενός ελατηρίου, δηλαδή έναν κβαντικό ταλαντωτή, έδειξε το 1926 ότι τα διάφορα κβαντομηχανικά κύματα του ταλαντωτή μπορούσαν αθροιστικά να μας δώσουν ένα συγκεντρωμένο κυματοπακέτο, αντίστοιχο της κλασσικής εικόνας της ταλαντευόμενης μάζας. Το πακέτο αυτό θα μπορούσε να ταλαντώνεται μπρος-πίσω ακατάπαυστα όπως η κλασσική μάζα επί του ελατηρίου.

Υπήρχε όμως μια παγίδα. Για να διατηρηθούν τα προστιθέμενα κύματα συγχρονισμένα και να εμποδίζεται το κυματοπακέτο να διαπλατύνεται με την πάροδο του χρόνου, ο Schrödinger στηρίχτηκε σε μια ιδιομορφία του αρμονικού ταλαντωτή και τις ενέργειες που αντιστοιχούν στα επιμέρους κύματα των ξεχωριστών κβαντικών καταστάσεων του ταλαντωτή.

Τα πιο πολλά πραγματικά παραδείγματα του κόσμου μας, όπως τα άτομα, δεν έχουν αυτή την ιδιότητα του ταλαντωτή, κι έτσι αναπόφευκτα τα κυματοπακέτα τους διαχέονται και σβήνουν με την πάροδο του χρόνου. 

Για παράδειγμα, το 1988 ερευνητές φώτισαν με παλμούς φωτός λέιζερ ένα άτομο και δημιούργησαν ένα κυματοπάκέτο που περιφερόταν γύρω από τον πυρήνα. Το κυματοπακέτο αυτό όμως, διαπλατύνθηκε και έσβησε μετά από μερικές δωδεκάδες περιφορών. 

Όταν όμως φωτίσουμε το άτομο με μικροκύματα το κυματοπακέτο μπορεί να διαρκέσει για χιλιάδες περιφορών του, αναφέρουν οι  Haruka Maeda και Thomas Gallagher του πανεπιστημίου της Virginia στη Charlottesville.

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν παλμούς λέιζερ για να παράγουν ένα κυματοπακέτο που περιείχε το εξωτερικό ηλεκτρόνιο ενός ατόμου λιθίου και ταξίδευε γύρω από τον πυρήνα σε μια ελλειπτική τροχιά επιμήκους μορφής. Στη συνέχεια χρησιμοποίησαν και μικροκύματα, το ηλεκτρικό πεδίο των οποίων είχε την ίδια κατεύθυνση με τον άξονα της έλλειψης. Η συχνότητα των μικροκυμάτων συνέπιπτε επίσης με τον ρυθμό περιφοράς του κυματοπακέτου γύρω από τον πυρήνα. Τα μικροκύματα ωθούσαν ήρεμα το κυματοπακέτο, επιβραδύνοντας το μπροστινό του μέτωπο, και επιταχύνοντας το οπίσθιο άκρο του, εμποδίζοντας έτσι την διαπλάτυνση. Το κυματοπακέτο έζησε για 900 νανοδευτερόλεπτα, συμπληρώνοντας περίπου 15.000 περιφορές. 

"Κανένας μας δεν περίμενε τόσο καλά αποτελέσματα, τόσο σύντομα," λέει ο Joseph Eberly, ένας θεωρητικός του πανεπιστημίου του Rochester στη Νέα Υόρκη ο οποίος πρώτος πρότεινε την τεχνική των μικροκυμάτων πριν από 10 χρόνια.

Ένας άλλος πειραματικός από το ίδιο πανεπιστήμιο, ο Carlos Stroud, λέει ότι η αναλογία μεταξύ της ατομικής κατάστασης και του ηλιακού συστήματος είναι πολύ βαθιά, αλλά όχι τόσο απλή όσο φαίνεται.

Πιο αυστηρά, το κυματοπακέτο είναι ανάλογο όχι με ένα πλανήτη, αλλά με δύο ομάδες αστεροειδών που κινούνται γύρω από τον Δία και τον ακολουθούν, καθώς ο τελευταίος περιφέρεται γύρω από τον 'Ηλιο. Η βαρύτητα του Δία σταθεροποιεί τα νέφη των βράχων του διαστήματος που είναι γνωστοί σαν αστεροειδείς- Τρώες, με τον ίδιο ακριβώς τρόπο που τα μικροκύματα καθοδηγούν το κυματοπακέτο γύρω από το άτομο. Μαθηματικά είναι τελείως ισοδύναμες περιγραφές. 

Μπορείτε να παρακολουθήσετε μια εξομοίωση του φαινομένου, κάνοντας κλικ στην παρακάτω  Εικονα (2.8 MB).