Microscopia de fotoionización para observar orbitales átomicos

Dibujo20130524 Experimental observation of the transverse nodal structure of four atomic hydrogen Stark states

La microscopia de fotoionización permite observar de forma directa la estructura orbital de un átomo de hidrógeno excitado. La técnica, propuesta hace 30 años, permite visualizar la distribución de carga electrónica en el átomo, incluyendo la estructura nodal de los orbitales excitados (los microscopios de efecto túnel y similares no permiten ver la estructura nodal, sólo la distribución de carga exterior). Aneta S. Stodolna (Instituto de Física Atómica y Molecular, Países Bajos), Marc Vrakking (Max-Born-Institute, Berlín, Alemania) y sus colegas han demostrado la microscopía de fotoionización en un átomo de hidrógeno colocado en un campo electrostático. El átomo es excitado por pulsos láser y los electrones que escapan del átomo producen patrones de interferencia que son amplificados por un factor de más de 20.000 usando una lente electrostática. El patrón de interferencia refleja la estructura nodal del orbital electrónico (que refleja la forma de la función de onda cuántica). Nos lo cuentan en “‘Quantum microscope’ peers into the hydrogen atom,” PhysicsWorld.com, May 23, 2013, en Christopher T. L. Smeenk, “Viewpoint: A New Look at the Hydrogen Wave Function,” Physics 6: 58, 20 May 2013, donde se hacen eco del artículo técnico A. S. Stodolna et al., “Hydrogen Atoms under Magnification: Direct Observation of the Nodal Structure of Stark States,” Phys. Rev. Lett. 110: 213001, 20 May 2013.

Dibujo20130524 Schematic overview of the experiment - An atomic hydrogen beam formed by photodissociating

La observación directa de la función de onda cuántica es imposible. El uso de medidas cuánticas débiles y otras técnicas indirectas permiten tener una cierta idea, que confirma las predicciones teóricas. Se pueden realizar múltiples medidas en sistemas preparados de forma idéntica y aplicar una técnica de tomografía inversa para reconstruir la distribución de carga tridimensional en un orbital. El problema de estas técnicas es que se pierde la estructura nodal del orbital atómico, ya que se obtiene una imagen proyectada que la oculta. Recuerda que los nodos en la función de onda son resultado de la superposición de ondas estacionarias y corresponden a regiones del espacio donde la probabilidad de encontrar un electrón es exactamente cero.

Dibujo20130524 Evidence for on-resonance ionization by tunneling through the Coulomb plus static field potential

La nueva técnica de Stodolna y sus colegas resuelve este problema. La estructura nodal de los orbitales queda reflejada en los patrones de interferencia que se observan en el detector (bidimensional). Más aún, la reconstrucción de la densidad de carga del orbital a partir de la imagen en el detector 2D es directa (no requiere métodos inversos), como se muestra en la imagen que abre esta entrada. Por ahora  sólo se han podido observar transiciones entre orbitales 2s y 2p. La aplicación de la microscopia de fotoionización a otros orbitales no es fácil, pues el patrón de interferencia se oscurece debido a la interacción entre electrones. Se espera que futuros avances teóricos y experimentales permitirán corregir este inconveniente.

El siguiente paso, ya en curso, es el estudio del átomo de helio mediante microscopía de fotoionización, que tiene dos electrones. Se espera que durante este año se publiquen los primeros resultados que mostrarán cómo afecta la indistinguibilidad entre los dos electrones a los patrones de interferencia. La microscopia de fotoionización promete muchas sorpresas.

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13 pensamientos en “Microscopia de fotoionización para observar orbitales átomicos

  1. Una duda. Si el átomo de Hidrógeno solo tiene un electrón, ¿cómo puede observarse este en tantos orbitales al mismo tiempo? ¿Es porque está cambiando entre orbitales tan rápido que lo observamos en varios a la vez?

  2. ¿Por qué dice “los electrones que escapan del átomo”? ¿El átomo de Hidrógeno no tiene solo 1 electrón?

  3. Aurora, en el modelo clásico hay un electrón por átomo de hidrógeno, se entiende que nos referimos al átomo de hidrógeno que más abunda en la naturaleza. Pero hay otros dos átomos de hidrógeno que no abundan en la naturaleza que son el deuterio y el tritio. El deuterio tiene un núcleo con un protón y un neutrón y la órbita de su electrón no es regular. El tritio contiene un protón y dos neutrones en su núcleo. Pequeñas cantidades de tritio se encuentran en la naturaleza por efecto de la interacción de los rayos cósmicos con los gases atmosféricos y también se libera tritio por las pruebas nucleares. A medida que el núcleo del tritio se degrada emite un electrón que causa una liberación de energía en forma de radiación beta. Si en el experimento que menciona Francis se logra el estado plásmico del átomo de hidrógeno, cuyo electrón no está ligado al protón o lo está débilmente, la emisividad lumínica y la alta conductividad eléctrica se produce con facilidad.

    “Una duda. Si el átomo de Hidrógeno solo tiene un electrón, ¿cómo puede observarse este en tantos orbitales al mismo tiempo? ¿Es porque está cambiando entre orbitales tan rápido que lo observamos en varios a la vez?”.

    El efecto diapasón de las imágenes se debe al estado excitado del electrón una vez que el pulso del láser choca con el átomo de hidrógeno. El electrón tiende a volver a su orbital una vez que decrece la energía que lo agita. En cualquier caso, Francis te dará una respuesta más consistente que la mía.

  4. Eso espero. Tu explicación… Francis, por favor, podrías explicar un poco estas dudas.

  5. Vaya pésima explicación has dado, Artemio. Parece un chiste mezclado con un trabalenguas que no responde a las dudas de Aurora. Por cierto, me uno a las dudas de ella. ¿Puede alguien arrojar fotones a esas dudas?

  6. Hola, ¿alguien ha encontrado alguna explicación a las dudas que pregunté?

    • Perdona, Aurora. Se habla de electrones (en plural) porque los patrones de interferencia son debidos a la interferencia de las funciones de onda de dos electrones, uno en el estado 2s y otro en el estado 2p. Pero si el átomo de hidrógeno sólo tiene un único electrón, ¿de dónde salen los dos electrones? Obviamente, hay más de un átomo de hidrógeno. En el experimento se utiliza un haz colimado de átomos de hidrógeno obtenido a partir de la fotodisociación de un gas de hidrógeno molecular. En el experimento los átomos hidrógenos del haz están excitados en un estado mezcla 2s y 2p, gracias a la existencia de pulsos de dos láseres. La interferencia se observa entre dos electrones que escapan de átomos de hidrógeno diferentes. Creo que esta era la respuesta que esperabas.

      • Me parece que lo que se fotodisocia es sulfuro de hidrógeno, H2S, no hidrógeno molecular. Se separan átomos de H de las moléculas de H2S, formando una haz de átomos de H, y después se excitan los átomos del haz. Lo que no entiendo es si los electrones excitados están en una mezcla de los dos orbitales, 2s y 2p, es decir en ambos alternativamente, o si están en un orbital mezcla de 2s y 2p, es decir que no es ni 2s ni 2p.

      • Gracias, Daniel, por la aclaración, hablé de memoria; como bien dices se ionizan moléculas de H2S. En cuanto a tu pregunta, no soy experto en los detalles, pero tras consultar de nuevo el artículo técnico: “The H atoms were resonantly excited to a mixture of 2S and 2P states by a two-photon transition (laser = 243 nm).” La transición 1S a 2S del hidrógeno requiere un fotón de 486 nm, luego cuando se utilizan dos fotones a 243 nm, el primero pasa el electrón a un estado metaestable intermedio y el segundo culmina la transición. ¿Qué es ese estado metaestable intermedio? Un estado resonante 2S-2P, pues la transición de 1S a 1P requiere un láser a unos 122 nm, con lo que un fotón a 243 nm también puede excitar esta transición. Por ello, Daniel, los fotones observados parten de un estado mezcla resonante 2S-2P (que no es ni 2S ni 2P).

        El artículo técnico también pone: “And were ionized using narrowband, tunable laser pulses (laser = 365–367 nm) with polarization along the static electric field (i.e., perpendicular to the detector).” El otro láser se utiliza para ionizar el átomo arrancando los electrones que se encuentran en el estado 2P, pero también es capaz de arrancar electrones en el estado mezcla 2S-2P, que son los observables en el experimento.

  7. “…han demostrado la microscopía de fotoionización en un átomo de hidrógeno colocado en un campo electrostático. El átomo es excitado por pulsos láser y los electrones que escapan del átomo producen patrones de interferencia que son amplificados por un factor de más de 20.000 usando una lente electrostática.”

    Al leer lo de arriba entendí que estamos ante un solo átomo de hidrógeno con su electrón correspondiente. La fotoionización puede producirse a partir del hidrógeno molecular, pero una vez se ioniza por el láser cambia de estado y el electrón o bien se desliga del protón o bien se debilita la ligazón. El efecto diapasón del electrón me llama la atención.

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