Voor het eerst hebben wetenschappers direct waargenomen hoe een elektron de veilige omgeving van een atoom verlaat en een vrij elektron wordt. Dit is de eerste stap naar het controleren van elektronen in atomen en moleculen. 

Elektron ontsnapt uit atoom.
Elektron ontsnapt uit atoom. Een lichtstraal (blauwe stippellijn) raakt een atoom (witte cirkel met groene atoomkern) en geeft een elektron een trap (paarse stippellijn). De rode laserlichtgolven vangen de informatie over de snelheid en beweegrichting van het elektron, die onderzoekers kunnen bekijken. Bron: Robert Jones, University of Virginia

Als ze genoeg energie hebben, kunnen elektronen ontsnappen uit een atoom. Dit losbreken gaat zo snel, dat het nog nooit direct was waargenomen. Amerikaanse onderzoekers hebben daar verandering in gebracht. Dat deden ze door met een bundel laserlicht op een gas te schijnen. Het laserlicht gaf een aantal elektronen die gebonden waren aan gasatomen genoeg energie om in een fractie van een seconde aan de aantrekkingskracht van hun atoomkern te ontsnappen. Eveneens met behulp van een laser maakten de onderzoekers een soort snapshots van de elektronen terwijl ze zich razendsnel losmaakten. De wetenschappers publiceerden hun resultaten 2 oktober in Nature Physics.

Losbreken

‘Een elektron maakt zich in slechts een biljardste van een seconde los van een atoom als hij een energierijke ‘trap’ krijgt van het laserlicht’, vertelt Robert Jones van de University of Virginia. Het laserlicht dat de atomen in het gas omringt terwijl een elektron losbreekt, bevat informatie over de snelheid en richting waarmee het elektron beweegt. De techniek die de onderzoekers gebruikten om het gedrag van elektronen te bestuderen heet RABBITT (Reconstruction of Attosecond Beating By Interfering Two-photon Transitions).

‘Blinde agressie mag je aanpakken met hersenstimulatie’
LEES OOK
‘Blinde agressie mag je aanpakken met hersenstimulatie’

Deze techniek bestaat al bijna 15 jaar, maar was nooit nauwkeurig genoeg om te zien wat er gebeurde terwijl het elektron losbreekt. De Amerikaanse onderzoekers verfijnde de techniek. Jones: ‘We kunnen nu momentopnamen maken van het korte moment dat het elektron energie heeft, maar zich nog vlakbij de atoomkern bevindt.’ De vernieuwde techniek noemen ze RABBITT+.

Attoseconden

Dichtbij de atoomkern gedragen de negatief geladen elektronen zich anders dan wanneer ze vrij rond kunnen bewegen. Dat komt doordat ze daar aantrekkende kracht voelen van de positief geladen atoomkern en de afstotende kracht van andere elektronen. Het onderzoek van de Amerikanen laat voor het eerst zien hoe een elektron in enkele attoseconden (triljoensten van een seconde) een aantal keer van snelheid verandert voordat hij losbreekt.

De onderzoekers hebben hun techniek toegepast op atomen helium-, neon- en argongas, maar schrijven in hun artikel dat het ook mogelijk is met moleculen. ‘Door meerdere snapshots te nemen van moleculen, kun je een moleculaire film maken van razendsnelle veranderingen in moleculen, bijvoorbeeld tijdens chemische reacties’, mailt Jones. ‘En in de toekomst kunnen we die veranderingen misschien wel aansturen met lasers, om bijvoorbeeld chemische reacties efficiënter te laten verlopen.’

Mis niet langer het laatste wetenschapsnieuws en meld je nu gratis aan voor de nieuwsbrief van New Scientist.

Lees verder: