Wetenschappers leggen elektron vast op film

Wetenschappers zijn er voor het eerst in geslaagd om de beweging van een elektron te filmen. Met een extreem korte lichtflits van enkele attoseconden werd de beweging van het kleine, snelle deeltje om een kern vastgelegd.

Voorheen werd de beweging van elektronen niet direct gefilmd, maar werd het effect van hun beweging gemeten, aan de hand waarvan hun positie kan worden berekend. Een elektron doet er ongeveer 150 attoseconden over om de kern van een atoom te omcirkelen. Het gefotografeerde elektron werd met een laser bestuurd terwijl een tweede laser de extreem korte pulsen voor de belichting van de film leverde.

Professor Johan Mauritsson van de Zweedse universiteit van Lund legt uit dat een attoseconde zich verhoudt tot een seconde als een seconde tot de leeftijd van het universum. Volgens hem kan de techniek gebruikt worden om te kijken wat er met een atoom gebeurt als een elektron uit de schil verwijderd wordt. De resultaten van het Zweedse onderzoek worden in het wetenschappelijke tijdschrift Physical Review Letters gepubliceerd.

Reacties (82)

[Thwuck]

Je moet een electron niet als een biljartbal zien: de onzekerheidsrelatie blijft van toepassing. Ze beinvloeden de baan van het electron met 1 laser, en met behulp van de andere leggen ze de diffractie van fotonen als gevolg van de golffunctie van het electron vast.
Wat je dan filmt is niet een scherp beeld van een object, maar eerder zoiets als de schaduweffecten van de golven die je in water ziet als je er een steen in werpt.

[RwD]

Ja, maar dan weet je toch waar het electron is? En als je dan wat meer metingen neemt weet je toch ook hoe snel die gaat? Of weet je dan alleen ongeveer de snelheid en positie en niet precies en hebben we die onzekerheid nog steeds? Want als je zo naar dit filmpje kijkt durf ik best aan te wijzen waar het electron is en als ik het een paar keer gedaan heb weet ik ook hoe snel die gaat???

[Toontje_78]

Gefeliciteerd, je bent me net voor met de eerste zijn die ziet dat het een diffractie patroontje is.

Linkje wat diffractie is, zoals het voor bepaling van kristalroosters gebruikt wordt (werd?).

(edit) Natuurlijk een TN-er. (/edit)

[Reactie gewijzigd door Toontje_78 op 25 juli 2024 01:21]

[Fire69]

Vind dit filmpje wel beter gelukt: http://www.youtube.com/watch?v=M7V8at8k4Cs
Wel wat korter, maar wel vloeiender.

[Brian]

tja, wat is kort. 150 attoseconden, dat is kort!

Ik vind dit soort ontwikkelingen af en toe wel wat bizar. Een beetje 'sci-fi meets reality'.

[Zyppora]

150 attoseconde is inderdaad retesnel (zo lijkt het althans). Maar als je dan door gaat rekenen (wat ik dan ook deed), dan kom je op een snelheid uit van 645 * 10^-9 meter per seconde (H-atoom). Helemaal zo snel nog niet dus, ongeveer een halve millimeter per seconde. Hij loop alleen rondjes, wat het dusdanig moeilijk maakt om een scherpe foto te nemen.

EDIT:
De berekening:
Straal van een H-atoom is volgens wikipedia 37 picometer, oftewel 37 * 10^-12 meter. De omtrek (dus de baan van het elektron) is dus 2*pi*37*10^-12 = 232 * 10^-12 meter.

Over die 232 * 10^-12 meter doet zo'n elektron 150 attoseconde, oftewel 150 * 10^-18 seconde. Deel 232 * 10^-12 meter door 150 * 10^-18 seconde, dan houdt je 645 * 10^-9 meter per seconde over.

[Reactie gewijzigd door Zyppora op 25 juli 2024 01:21]

[_Raymond_]

Volgens mij is die 37pm de straal van de kern, niet van de elektron baan. Lijkt me ook niet dat elektronen een lage omloopsnelheid hebben, aangezien ze in vrije toestand met bijna de lichtsnelheid door een geleider kunnen bewegen...

De Bohrstraal is volgens onderstaande referentie 0.53*10^-10m. De omtrek is dan 2*pi*0.53*10^-10 = 3.33*10^-10m, dus de snelheid zou dan (3.33*10^-10) m/ (150*10^-18)s = 2.2*10^6 m/s moeten zijn.

http://www.natuurwetensch...opic=290&forum=4&start=20

[f.v.b]

Het signaal gaat met de lichtsnelheid. De electronen gaan veel trager. Als ik aan het eind van een waterleiding van 10 kilometer een kraan opendraai, dan gaat het water direct stromen. Dat wil nog niet zeggen dat het water met 100 kilometer per seconde door de waterleiding gaat.

http://en.wikipedia.org/wiki/Electric_current

Electric currents in solid matter are typically very slow flows. For example, in a copper wire of cross-section 0.5 mm², carrying a current of 5 A, the drift velocity of the electrons is of the order of a millimetre per second. To take a different example, in the near-vacuum inside a cathode ray tube, the electrons travel in near-straight lines ("ballistically") at about a tenth of the speed of light.

[Reactie gewijzigd door f.v.b op 25 juli 2024 01:21]

[vistu]

Zou ik erg graag een berekening van willen zien, en wat nou precies die snelheid heeft? Dat is namelijk NIET de omloopsnelheid van het elektron.

[Markofnikoff]

Ze hebben het over de belichting van het electron (als je het zo kunt noemen) in die tijd heeft het elctron misschien wel 800 om de kern gedraait (als je het klassiek benadert )
Dus je redenatie klopt niet helemaal

[Malantur]

Een elektron doet er ongeveer 150 attoseconden over om de kern van een atoom te omcirkelen.

Klopt dus wel, maar je zit natuurlijk met een heleboel afrondingen en de onzekerheid van Wikipedia...

[poefel]

Zyppora moet wel zijn zakjapanner goed gebruiken.

232*10^-12 / 150*10^-18 = 1.55*10⁶ m/s

Ongeveer 0.5% van de lichtsnelheid dus. Dit is niet zo langzaam.

[Virtox]

Meter / Seconde

Dus 232*10^-12 m/ 150 * 10^-18 s = 155 * 10^4 m/s
die 645*10^-9 is seconde per meter.. de inverse

[engelbertus]

645*10^-9 m/sec is toch geen 0,645 mm/seconde?
1 meter is 1000 mm ( 1*10^-3 m = 1 mm)

[Blokmeister]

Het is wel tof dat je hiermee kan zien dat de kansdichtheid van de positie van het elektron expliciet te zien is.
Je kan dankzij het diffractiepatroon ook gewoon zien dat de elektron een golf is die om de kern draait (als er uberhaupt sprake is van draaïing).
Ik vind dat iemand hier de nobelprijs heeft verdient, ookal geeft dit geen compleet nieuwe theorie over elektronen vind ik het toch een mijlpaal.
Als ze nu in plaats van een S orbital, eens een P orbital, of nog beter: een sp3 gehybridiseerde orbital laten zien zou het helemaal top zijn.

[.zolder]

Worden natuurkunde Nobelprijzen juist niet toegekend aan mensen die de waarheid van een theorie in de praktijk bewijzen?

[engelbertus]

het electron draait dus heel snel om de kern van een atoom, er staat dat een atoom op de gevoelige plaat is vastgelegd, ook als een electron in een wolk om de kern draait is nog steeds sprake van 1 elektron dat gefotograveerd kan worden.

zoals alles dat gefotograveerd word is er op dat moment sprake van reflectie, zoals dat inderdaad ook in een cd/dvd speler gebeurt, maar dat is geenszins een voorbeeld dat iets duidelijker maakt natuurlijk.. vergelijken mete en blad aan de boom dat het licht van de zon weerkaatst, of dat van een laser, maakt even min iets meer duidelijk.

dat het electron zo snel beweegtop zon enorm kleine lokatie ( binnen een straal van 1/2* 37*10-x? picometer) maakt het lastig hem mooi in beeld te krijgen als je hebt ingezoomd op een gebied ter grootte van een electron . immers tov de atoom id de electron weer nogal klein. i hetzelfde als inzoomen op een plek rond de aarde, vanuit de ruimte, en dan wachten tot de maan toevallig op die plek zit als je de foto maakt.

dan moet je lang wachten asl je niet weet welke baan de maan neemt. en geluk hebben, tenzij je het electron stuurt, wat ze dus hier hebben gedaan, tenminste, kennelijk, dat staat immers in de tekst.
In verhouding tot de afmeting van het electron is de snelheid dus enorm, ook al is dat slechst 0,5 mm per seconde. maar of die waarde wel klopt vraag ik mij af.

verder vidn ik het in d tekst te lezen dat de duur van een attoseconde zo kort is als 1 seconde tot de totale leeftijd van het universum een beetje vaag, alsof de leeftijd van het universum nu zo exact bepaald is. ook veronderstelt het dat men wel in staat is deze kort eperiode te meten, aar niet die grote periode tot het begin van het universum

[elTigro]

ja hoor.
Die is hier onlangs (zeg een jaar of twee geleden) redelijk nauwkeurig bepaald. ( sterrenkunde). Kijk het is niet bekend tot op de dag, maar ik heb me laten vertellen dat het nu ook weer niet op een miljardje aankomt.
Of je zo'n tijd kunt bevatten is natuurlijk weer heel iets anders... Ik voor mij vind alles langer dan 10 jaar lang!

[Reactie gewijzigd door elTigro op 25 juli 2024 01:21]

[Anoniem: 162140]

Op Youtube staat bij hetzelfde filmpje: The film shows the electron's energy distribution. Lijkt me duidelijk dan.

[Anoniem: 118045]

Omdat het filmpje nou niet echt voor zichzelf spreekt heb ik het originele artikel er maar bijgepakt.

Wat je ziet is de impulsverdeling van een electron-golf pakketje (EWP in het artikel).
Dit electron-golf pakketje wordt 'gemaakt' door een attoseconde laser puls. Door nu deze attoseconde laser pulsen te synchroniseren met een infrarood laser kun je deze EWP's telkens 'dezelfde kant op sturen'.

Tijdens een maximum van de IR-laser (infrarood is gewoon een elektromagnetische golf, en heeft dus maximima en minima), dan wordt er geen impuls overgedragen, en zie je een perfect symmetrisch beeld. Als het op een net iets ander tijdstip gebeurt wordt er wel impuls overgedragen, en verandert het beeldje.

In het filmpje hebben ze dus het tijdstip (=creatie van EWP tov maximum van de EM-golf van de laser) gevarieerd.

Zo'n beeld is alleen te maken door exact hetzelfde heel vaak te doen met telkens dezelfde verhouding tussen creatie van de EWP en fase van de IR-golf, zodat je uiteindelijk de verdeling kunt zien. Zie het als een autowiel dat je door een stroboscoop ziet. Als je maar telkens het licht aandoet op het moment dat het wiel precies 1 keer is rondgedraaid dan lijkt het voor jou alsof het wiel stil staat.

Overigens leuk om te melden dat een van de auteurs bij AMOLF in Amsterdam werkt.

[Brief_Case]

De voortplantingssnelheid ligt in de orde van de lichtsnelheid, maar het electron als deeltje beweegt slechts enkele milimeters per seconde.
Neem een lange pijp van pakweg een kilometer en stop die vol met niet samendrukbare knikkers, sla dan met een hamer op de eerste knikker en meet hoe lang het duurt tot de laatste knikker aan het andere pijpeinde eruit komt. De knikkers hebben zich echter nog geen centimeter verplaatst. Dit is uiteraard een populair wetenschappelijke verklaring van het begrip voortplantingssnelheid, maar wel duidelijk toch?

[hetisik]

Wat zeker wel interessant is, is dat je wel de blauwige 'wolk' (ook in het originele filmpje) ziet bewegen, maar de groenkleurige 'banen'/'ellipsen'/'paden' niet, die lijken echt een vaste plek te hebben!
Ik ben benieuwd waardoor dit effect optreed!

Ook is trouwens te zien dat na het midden van het filmpje de 'ringen' steeds dikker worden maar verder van elkaar aftsaan!

Dit is zo geweldig interessant, nou snap ik ook waarom ze soms snelheden in radialen per seconde gebruiken! (de afstand gemeten in het aantal stralen=(is halve lengte van een diamter)) (2*pi*de straal=de lengte van 1 rondje)
Je kan wel 0.5 mm per seconde bewegen, maar als dat om een zéér klein punt heen is, dan doe je wel zéér veel rondjes!! Een langzame snelheid in een oneindigkleine baan, levert een oneindige hoeveelheid rondjes op (theoretisch gezien). Daardoor 'lijkt' die dus heel snel!!
Echt bruut interessant!
Het is wel grappig, de natuur kent wel meer van dit soort truukjes! Dingen lijken soms supersnel te gaan, maar zijn vaak eigenlijk heel langzaam!
Zoals de voortplantingssnelheid tenopzichte van de driftsnelheid van een electron.
Maar ook de verplaatsing van geluid! Die lijkt snel, vanwege de doorgifte van hun beweging aan de naast liggende moleculen. Maar infeite komen de molekulen niet km's ver van hun plaats, maar misschien enkele cm's.
Maar ook golven in het water! De golven lijken snel te gaan, maar infeite komt het water niet veel van hun plaats! Het is hoofdzakelijk de golf-beweging/de golfvorm die steeds verplaatst!
Echt bijster interessant!
En nu de stad in lekkere wijven kijken! WooHoO!

[Reactie gewijzigd door hetisik op 25 juli 2024 01:21]

[Blokmeister]

Een electron bevind zich niet klassiek in een baan rond de nucleus. Het electron is zoals eerder gezegd uitgesmeerd over de orbital. Wat je hier ziet is de diffractie van de fotonen als ze door de elektronenwolk gaan.
De wolk beweegt doordat ze een stoot krijgen van een andere laser, hierdoor gaat de wolk even op en neer vibreren.

[Toontje_78]

Ik ben benieuwd waardoor dit effect optreed!

Zoals Thwuck, woensdag 27 februari 2008 11:05 reeds zei: Diffractie.

Het elektron stoort zeg een laser puls, welke daardoor het licht een interferentiepatroon geeft van constructie (lichte banden) en destructie (donkere banden). Het interresante wat een leek als ik eruit haal is dan ook de verschuiving van het patroon tussen de frames. Het midden van de cirkels wijst denk ik aan waar het elektron zich op dat tijdstip bevond.

(edit) Het midden is dus zo te zien de kern, maar de beweging in het patroon geeft een of andere gebeurtenis in dat atoom/elektron paar aan(/edit)

[Reactie gewijzigd door Toontje_78 op 25 juli 2024 01:21]

[Anoniem: 227589]

Lol, heb dat voor de grap eens nagerekend. Een attoseconde naar een seconde is meer dan dubbel de verhouding tussen de leeftijd van het uniersum en een seconde.

[ATS]

Het gaat om de ordegrootte. Het dubbele is dezelfde ordegrootte qua verhouding. Het gaat dus over 1:10ⁿ, met de vraag wat nu de waarde van n is. Of daar nu 1x of 2x voor staat is niet zo relevant.

[MRTNbos]

En wie gaat bepalen wat de "leeftijd" van het universum is? Ik heb nu al zoveel verschillende berekeningen, theorie-en, verwerpingen enz gezien dat ik o.a. zeker weet dat de mens niet weet hoe oud het universum is!

En verder ben ik wel benieuwd om welke kern dit elektron gaat. Aangezien je (en vele andere met mij) de verschillende "orbitals" ziet lijkt het me dat dit waarschijnlijk een Helium kern is. Bij zwaardere (en dus grotere) elementen is deze verhouding volgens mij te groot om rondom te kunnen filmen.

[Anoniem: 44174]

mm, hoe weet je dat eigenlijk, want zover ik weet, is het nog steeds niet zeker hoe oud het universum is. Dus als je die onzekerheid meeneemt kun je niet zeggen hoe een attoseconde zich verhoud.

[hetisik]

Ik weet het, je hebt zoveel modellen die het model trachten te omschrijven... Rutherford-Chadwick model, Schrodingers Quantummechanisch model, je met gedefinieerde banen (het atoommodel van Niels Bohr), maar ook weer met totaal onwillekeurige banen, en volgens mij ook nog het snaar-model, open snaar of gesloten.... Ieder model heeft zijn voordelen, maar ook weer nadelen, geen enkele beschrijft precies wat er nu in een atoom en haar electronen gebeurd.

Verbeter me gerust, misschien heb ik iets dubbel staan.

Maar Nemesix, ik snap wat je bedoelt! Zeer interessant!

Door Nemesix, woensdag 27 februari 2008 14:24
Het is wel tof dat je hiermee kan zien dat de kansdichtheid van de positie van het elektron expliciet te zien is.

Ja, ik snap nu precies wat je ook hiermee bedoelt!

engelbertus, woensdag 27 februari 2008 14:47
dat het electron zo snel beweegtop zon enorm kleine lokatie ( binnen een straal van 1/2* 37*10-x? picometer) maakt het lastig hem mooi in beeld te krijgen als je hebt ingezoomd op een gebied ter grootte van een electron . immers tov de atoom id de electron weer nogal klein. i hetzelfde als inzoomen op een plek rond de aarde, vanuit de ruimte, en dan wachten tot de maan toevallig op die plek zit als je de foto maakt

Doordat de electronnen mogelijk in een chaotische banen bewegen krijg je dat je moeilijk de plaats van een deeltje kan bepalen en hem dus kan kan gaan zien. Maar ook doordat je op een piép klein gebiedje inzoomd is de kans dat je een deeltjhe tegenkomt zeer klein.
Je zou dus kunnen zeggen dat hoe kleiner het gebied waarop je inzoomed, hoe kleiner de kans is dat je een deeltje/golf ziet. Wat wij op het plaatje zien laat dus zien wat de kansdichtheid is om één of meerdere electronen te kunnen zien!

Nogmaals, verbeter me als ik er naast zit.

Maar dan nog zegt deze opname volgens mij alsnog niks over of iets nu een deeltje is en/of een golf, maar ook niet of het nu wel of niet vaste banen zijn. Misschien zitten we er nog steeds naast, niet helemaal goed. Is het wel wat we denken dat het is?!

Trouwens... Hoe chaotischer de paden zijn die elctronen afleggen, hoe groter juist weer de kans is dat je ze kan 'zien'!
Electronen lijken soms ook uit de atoom-kern te komen!

Maar nemesix, leg uit.. Wat zijn precies die banen! Klinkt ikgewikkeld!

[Reactie gewijzigd door hetisik op 25 juli 2024 01:21]

[Blokmeister]

Het is niet omdat de elektronen chaotische banen omschrijven, (ik denk ook niet dat ze dat doen, door de wet van behoud van impuls) het is gewoon doordat op dit niveau het golfkarakter van het electron veel belangrijker is.
Door (volgens mij werkt het zo, corrigeer me als ik verkeerd zit) een integraal over de golffunctie in het kwadraat te nemen kan je de kans bepalen dat een electon zich op een bepaalde plek bevind. Het heeft dus niets te maken met het klassieke model van een elektron, maar puur met het quantummechanisch model.
Het houd zelfs in dat er een kans bestaat dat een elektron zich een kilometer verderop bevind, ookal is die kans ongelofelijk klein.

Edit:
Verder zijn de banen geen banen. Het klassiek model voldoet op geen enkele wijze meer op zoon schaal.
Het enige wat als banen te omschrijven zijn, zijn orbitalen. Een orbitaal is een gebied waarin een elektron zich kan bevinden volgens een kansberekening. Eigenlijk kan een elektron zich overal bevinden, alleen is de kans heel klein. Meestal beschouwen we een orbitaal als een gebied waarin er 99.9 procent kans is dat een elektron zich erin bevind.
Dit is dus een ruimteintegraal, als je wil weten hoe dat precies werkt, kan ik het je ook nog uitleggen.
Orbitalen hebben redelijk exotische vormen, hiervoor wil ik je naar wikipedia verwijzen omdat het gewoonweg teveel is om uit te leggen.
Verder weet ik er ook niet zoveel over, ben maar een eerstejaars scheikunde student .
/edit.

[Reactie gewijzigd door Blokmeister op 25 juli 2024 01:21]

[g4wx3]

exotische vormen, maar allemaal met oorsprong van een wiskundig formule (van die meneer waarvan ik de naam ben vergeten)
Mooie degelijke uitleg verder. (ik 2de jaar)

[Blokmeister]

Ja, deze dingen zijn echt machtig interessant. Kan niet wachten totdat ze andere orbitalen gaan filmen, zoals P of D orbitalen. Of nog beter, gehybridiseerd orbitalen =D.