Katalog

FİZİK Atom parçacığını yakalayıp tek başına inceleme fizikçllerin en gözde uğraşı haline geldi. Atomlar 'tuzağa' yakalandıklarında tüm kuvantum sırları da ortaya çıkacak. Çeviri: Belgin öz izikçiler her zaman, tek atomların ve izole edilmiş az sayıdaki atomların davranışlarını incelemek istemişlerdir. Kuvantum mekaniği birçok atomik parçacığı içeren sistemlerin davranışını çok iyi açıklayabilirken, parçacık sayısı arttıkça kuvantum teorilerinin yanılma olasılıkları da o denli artar. Kuvantum teorisinin öne sürdüğü etkiler, ancak atomlar tek başlarına incelendiğinde açığa çıkacaktır. Son zamanlarda, fizikçiler arasında büyük heyecan yaratan, tek iyonlarla nötr atomları inceleyen güçlü teknikler ortaya çıkmıştır. Elektrik ve manyetik alanların karışımına ve son zamanlarda ışığa dayalı olarak ortaya çıkan bu teknikler, atom parçacıklarını ele geçirerek çok küçük bir hacim içinde hapsederler. Tüm çalışmalar, iyonların bir elektronları alınarak tek bir pczitif yüke sahip atomlar üzerinde yoğunlaştırılmıştır. Bu tuzaklar tek bir iyonu veya küçük bir iyon bulutunu saatlerce alıkoyabilir. İyon tuzakları oldukça kolay iki yöntemle gerçekleştirilebilir. Pennlng tuzağı üç elektrottan oluşur. Bunlardan bir tanesi halka şeklinde olup, ortası delik bir çöreğe benzer. Diğer iki elektrot ya da uç şapkaları bir tenis topunun iki yarısını andırmaktadır. Uç şapkalan halkadaki deliğin iki yanında, kavisli tarafları içeri bakacak ve halkaya değmeyecek şekilde dururlar. elektrotların ortasındaki kısmen çevrili 10 mm çapındakl bölge ise tuzağı meydana getirir. Birkaç voltluk bir pili, uçları pozitif, halka negatif olacak şekilde elektrotlara bağlarsak, uçları pozitif yüklü iyonları iterek aralarındaki aksın ortasında hapsedecek Atomu ele geçirme tuzakları hazır tir. Negatif yüklü halka elektrot, daha sonra kurtulacak olan iyonları çekecektir. Bununla birlikte, dik olarak uygulanan bir manyetik alan iyonların halkaya doğru yönelmelerini önler. Onları halkanın düzlemi içinde bir yörüngede hapseder. iyonların yörüngelerinin iki dairesel bileşeni vardır. Esas olarak manyetik alana dayanan bir hareket ve elektrik ve manyetik alanların aynı bölgedeki etkileşimi scnucu oluşan daha yavaş bir hareket. Bileşik hareket bir spirograftaki çlzgilere benzer. Gaz molekülleriyle çarpışma sonucu, iyonlar tuzağın dışında kalabilecekleri için tuzağın yüksek vakumda kurulması çok onemlidir. Böyle bir tuzak milyonlarca iyonu içinde tutabilir. Radyofrekansı veya rf tuzağı, Penning tuzağına benzemekle birlikte manyetik alana gerek duymaz. Uçlar ve halka arasındaki yüksek frekansta iş goren dalgalı bir akım kullanır. Bu yüzden elektrotlar kutupsal olarak değişirler. Uçlar pozitif olunca iyonları dik aks boyunca iterler. Halka pozitif olduğunda iyonları yatay düzlemde hapsederek iter. 1 megahertz civarındaki frekanslarda elektrotlar iyonları iki yönden de tuzağa düşürürler. İyonlar mikro hareket adı verilen küçük bir salınım kazanırlar. Bu tuzak, iyonları tam ortasında, milimetrenin çok küçük bir kesiti kadar bir alanda hapseder. Fizikçiler, önceleri, iyon tuzaklarını atomlar arasındaki çarpışmaları incelemek amacıyla bir "kutu" olarak kullandılar. Bir tuzağın içindeki küçük bir iyon bulutuna fırlatılan atom veya elektronlar tümüyle kontrol altında bir reaksiyon üretirler. Bu tür çarpışmalar nötr atomları veya daha sonra elektromanyetik alandan kaçacak Bir Pannlng tuzağında biriyonun izlediği spiral şeklindeki yörünge. rine olanak vererek, kuvantum sıçramaları gibi, kuvantum rnekaniginin temel konularının araştırılabilmesini mümkün kılmaktadır. İyonlar çok soğudukları zaman tuzağın ortasında bir bulut halinde yoğunlaşırlar. Tüm iyonlar lazer ışınına aynı anda yakalanırlar. Boylece büyük miktarlarda lazer ışınını dağıtırlar. Bu ise, küçük iyon bulutlarının bile büyük sinyaller yaymasına neden olur. Gerçekten de, tek bir iyon saniyede milyonlarca foton dağıtabildiği için, tuzağın içine konup çıplak gözle izlenebilir. Bu, ışığın bir nokta kaynagıdır. Atom saati Kuvantum mekaniğinin ve kuvantum sıçramaları fikrinin yaratıcılarından F.nvin Schrödinger, teorik olarak tek bir iyon veya atomu gözle görmenin imkânsız olduğunu düşünmüştü. 1952 yılında yayımlanan bir gazetede şöyle yazıyordu: "Hiçbir zaman tek bir elektron, atom veya (küçük) molekülle deney yapmadık. Yalnız, bazen kafamızda bu deneyleri yaptık ki, bu da oldukça gülünç sonuçlara vardı. "Nlela Bohr'a şöyle diyordu: "Eğer tüm bu kuvantum sıçraması tutarlı bir varsayımsa, kuvantum teorisine bulaştığım için pişman olmam gerekir". Geçen yıl araştırmacıların tek bir lyonun kuvantum sıçramalannı izlediklerini duymak onu elbette çok şaşırtacaktı. Biz imperial Kolej'de tuzak içindeki iki üç iyonu etkileşim sırasında gözleyebileceğimizi umuyoruz. Çünkü değişmeyen ve üretken bir ortamda iyonları inceleyebiliyoruz ve enerji seviyeleri arasındaki geçişlerde yayılan radyasyonun frekansını kesin olarak Ölçebiliyoruz. iyon tuzakları frekanslar için yeni standartlar belirlenmesine yardımcı olabilir. Bu, frekanslardan birinl "atom saatl" için temel kabul edebileceğimiz anlamına gelir. Cıva gibi bir eleman İçindeki mikrodalga geçişleri standart alınabillr. Londra yakınlarında Teddington'daki Ulusal Flzlk Laboratuan utterbiyum elemanını olası bir standart kabul ederek optik geçişler üzerindeki çalışmalarını sürdürüyor. Kuvantum sıçramaları saat gibi çalışmakta olan bir tuzaktaki küçük iyon ömekleri hakkında büyük bilgi edinilmesine olanak verir. (N«w Scicntlsts, 3 Eylül 87) F Ğir tuzakta negatif ve pozitif elektrotlan gösteren kesit. olan değişik kütledeki iyonları yaratan yük değişimlerine neden olurlar Tuzaktaki iyonların azalma oranı reaksiyon oranını verir. iyon tuzakları aynı zamanda, yüksek enerji düzeyine sıçramış hareketli iyonların yaşam süreleri ölçmeye yarar. Bazı hareketli durumlar birkaç saniye gibi uzun bir süre devam edebilir. Yaşam sürelerinin başka yöntemlerle ölçülmesi çok zordur. Yapılan ölçümler atomların enerji seviyeleri hakkında detaylı bir bilgi sağlar. Tuzağa düşen iyonlar Colorado Boulder'deki Ulusal Standartlar Dairesi'nden Dave VVİneland ile Washington Üniversitesi'nden Hans Dehmelt tuzağa düşürülmüş iyonları lazer ışınlarıyla mutlak sıfırın üzerinde 1 dereceden az olacak şekilde soğutmayı önerdiklerinde, enerji seviyelerini daha kesin olarak inceleme fırsatı da doğmuş oldu. Fotonlarla bombardıman edilen iyonlar yavaşlıyor ve ısıları düşüyordu. 1978 yılında VVineland ve arkadaşları binlerce iyondan oluşan bir bulutu Penning tuzağı içinde, 40K'nın altına kadar soğuttular. İki yıl sonra ise mutlak sıfırın yarım derece yukarısına kadar düşürmeyi başardılar. Tek bir zerreceği çok küçük ısılara kadar soğutmak, etrafında çarpışabileceği zerreler olmaması nedeniyle çok daha kolaydır. Son zamanlarda Dehmeit ve arkadaşları tek bir magnezyum iyonunu, yaklaşık olarak teorik limit kabul edilen mutlak sıfırın üzerinde bir derecenin beşte birinde, rf tuzağında hapsetmeyi başardılar. Bu arada, kullanılan aparatların oda sıcaklığında olduğunu unutmamak gerekir. Düşük sıcaklıklar neden bu kadar önem taşıyor? Bu fizikçilerin atomların enerji alıp yayarkenki davranışlarını inceleyebilmele Tuzağın ortasındaki beyaz nokta tek bir merkür iyonudur. Çevredeki renk, tuzağın elektrodlarından yansıyan laser ışınıdır. 10 Yukarıda: Laser ışını içinde ve mutlak sıfınn hemen üzerinde hapsedilmiş beş yüz sodyum atomu. Altta: Bir tuzakta hapsolmuş pozitif yüklü 32 alümlnyum zerreciğınin oluşturduğu bir "kristal."