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窥探原子内部– 解读最新量子实验结果
科学网新闻《世界首张原子内部结构图亮相》http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2013/5/278445.shtm
根据上述最新消息,荷兰研究人员拍摄到世界首张原子结构图。
本文试图从物理的角度,初步解读一下这个最新的量子实验结果,以抛砖引玉,希望行家们批评指正。
量子理论经过100多年的发展,成果不凡,但仍然有许许多多基本的理论问题尚未解决。近年来,许多实验物理学家们致力于攻克微观和宏观如何衔接的问题。在本人的上一篇博文中,介绍了2012年诺贝尔物理学奖得主实现囚禁个别量子系统的工作。
囚禁单个量子,得以观察到波函数如何塌缩,探讨微观量子规律如何过渡到宏观的经典规律。
拍摄原子结构图解决的是,如何在宏观尺度上观察微观尺度上发生的量子现象,比如,观察波函数。
报道中所说的‘首张原子结构图’,也就是氢原子的结构图。氢原子是最简单的原子,薛定谔方程建立之后,首先用于对氢原子的描述,并且大获成功。用量子力学处理原子能级与求解波函数时,氢原子是量子力学唯一能够求得精确解析解的情形。
荷兰Max-Born研究所的研究人员(A. S. Stodolna等)[1]所用的方法,是大约30年前,被俄罗斯理论物理学家(V. D. Kondratovich and V. N. Ostrovsky)提出来的[2]。他们的实验设置如下图所示:
Kondratovich等建议了一种实验方法,相当于建立了一个显微镜系统,并预言可以用来观察核外电子的波函数。在他们设计的实验中,将激光电离后的氢原子,置于一个z方向的静电场中,这种氢原子,将会处于被激发的斯塔克量子态。
斯塔克态的波函数,可以写成两个波函数的乘积。因为包含了一个固定静电场的氢原子薛定谔方程,也仍然可以用分离变量法求解。只不过这时候,原来氢原子的球对称性被破坏了。所以需要进行一个线性坐标变换,将r(电子和核的距离)和z(电子沿电场轴的位移),变成所谓的“抛物线坐标”(Paraboliccoordinates)。在抛物线坐标下,薛定谔方程可以分离变量,解出斯塔克量子态的波函数。
30年前的想法很吸引人,而要作出实验却不简单。由于化学上不存在稳定的氢原子,因此首先要用激光离解别的分子,再将氢原子的电子用激光激发到高能态。然后,如上图所示,原子射出的光电子,携带着斯塔克量子态波函数的信息,被三个电子透镜元件放大,投射到放置在大约半米以外、垂直于静电场的二维检测器上,产生干涉图案。这个图案就对应于斯塔克量子态的波函数。这些波函数是驻波,波函数的节点模式反映了状态的量子数。因为坐标变换了,氢原子原来的三个量子数(n,l,m)也变换成另外三个量子数(n1,n2,m)。这儿,n=n1+n2+m+1。
实验结果如下图所示:
上图中对应四个斯塔克量子态。量子数(n1,n2,m)分别为(0,29,0)、(1,28,0)、(2,27,0)和(3,26,0),也就是说,氢原子的电子被激发到高能级状态n1=0,1,2和3。n1不大,但n=29比较大。中间彩图所示的波函数,分别具有1、2、3、4个节点,从图中清晰可见。右边图中的曲线最大值数目,也和节点数目一致。
因此,通过这个实验,氢原子电子的斯塔克态的波函数图像,被放大到了毫米级尺寸,可以用肉眼观察到。放大倍数大约20,000倍。
参考资料:
1. A. S. Stodolna,A. Rouzée, F. Lépine, S. Cohen, F. Robicheaux, A. Gijsbertsen, J. H. Jungmann,C. Bordas, M. J. J. Vrakking. Hydrogen Atoms under Magnification: DirectObservation of the Nodal Structure of Stark States. Physical Review Letters,2013; 110 (21) DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.213001
2. V. D.Kondratovich and V. N. Ostrovsky.
Resonance and interference phenomena in the photoionisationof a hydrogen atom in a uniform electric field: II. Overlapping resonances andinterference.
Journal of Physics B 17, 2011-2038 (1984).
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