Hvis du prøver å forestille deg hvordan ett enkelt atom ser ut, er det ganske sannsynlig at du ser for deg en klump i midten omgitt av noe smått som surrer rundt i bane.
Vitenskapen, nærmere bestemt Bohrs modell, som er 100 år i år, har lært oss at det er sånn et atom er oppbygd - en atomkjerne omgitt av elektroner. Men til nå har ingen noen gang sett inn i et atom og fått det bekrefta, atomene har rett og slett vært for små.
- Les:
Nå har forskere ved Foundation for Fundamental Research on Matter i Amsterdam blitt de første til å - litt enkelt sagt - lage et helhetlig bilde av innsida av et atom.
– En jevn, fin lyskaster
Fysiker Bjørn Hallvard Samset forklarer at elektronene - ulikt framstillingene i skolebøker - ikke går i pene baner rundt atomkjernen.
– De er alle steder på en gang, men noen steder litt mer sannsynlig enn andre. Disse sannsynlighetsfordelingene kaller vi bølgefunksjoner, og vi har i snart 100 år forstått fysikk ut fra nettopp slike rare bølgefunksjoner. Men vi har aldri sett dem, sier han til NRK.no.
- Les:
Akkurat dette har Aneta Stodolna og resten av forskergruppa gjort noe med - de har tatt et bilde av bølgefunksjonene til elektronene i et hydrogenatom.
– Det har i prinsippet vært gjort før også, men da har man bare klart ett og ett stillbilde av gangen - omtrent som et strobelys lyser opp et dansegulv. Dette nye eksperimentet er en jevn, fin lyskaster som viser hvordan elektronene fordeler seg rundt atomkjernen under gitte forhold.
Skjøre funksjoner
Teknikken forskerne har brukt baserer seg på et forslag som ble framlagt av tre russere allerede i 1981, men det er ingen som har klart å gjennomføre det før nå.
– Ved hjelp av noen av kvantefysikkens finurligheter går det an å lyse på et hydrogenatom, plukke opp elektroner som blir dunket ut av det, og så lese ut av de elektronene hvordan de beveget seg før de ble truffet av lyset, forteller Samset.
- Les:
Er du fysikkvant nok til at du tør å prøve deg på en litt mer teknisk forklaring? Da kan du sjekke ut artikkelen i physicsworld, eller rett og slett lese rapporten.
Problemet har vært bølgefunksjonenes skjørhet - tidligere forsøk har endt med at informasjonen har blitt ødelagt av eksperimentet.
Forskerne avfyrte to lasere mot hydrogenatomer i et kammer. Elekronene blir dermed dunket ut av mønsteret sitt, men det blir da mulig å beregne hvordan elektronene bevega seg i forkant av lasertreffet.
Foto: APS/Alan StonebrakerTeknikk av riktig type
Samset sier at teknikken forskerne har utvikla er potensielt veldig viktig. Først og fremst fordi den bekrefter at forståelsen vår av atomet og kvantefysikken er riktig, og gir oss nye muligheter til å teste mer obskure deler av moderne fysikk.
– Hydrogenatomet forskerne her har studert er unikt fordi det er så enkelt - en atomkjerne av bare ett proton og bare ett elektron i bane rundt. Derfor kan vi også regne nøyaktig ut hva resultatet av eksperimentet bør være, og når forskerne gjør det og sammenligner med det de måler så stemmer det perfekt.
Siden dette bekrefter at metoden er riktig, tør forskerne å bruke den på mer kompliserte systemer - atomer og molekyler vi ikke klarer å regne ut noe om for hånd.
- Les:
Samset påpeker at dette også er en mulig grunnstein for en helt ny teknologisk retning, der kvantefysikken hjelper oss til å kunne lage nye og bedre materialer.
– Neste trinn er å bruke teknikken på mer kompliserte atomer. Det er ingen garanti for at det vil virke, men de resultatene er veldig lovende. Hva som skjer deretter er vanskelig å gjette, men historisk sett har alle slike nyvinninger - som gir oss mer informasjon enn før om hvordan atomer og molekyler virker og er satt sammen - ført med seg teknologiske nyvinninger.
Han forklarer at forskere lenge har venta på en hensiktsmessig metode for å se inn i molekyler, for på den måten å kunne finne ut egenskapen til designermaterialer og -molekyler.
–. Jeg har personlig stor tro på denne teknikken - den er av riktig type til å kunne gi mye spennende fremover.
