Je leest:

Botsingen van langzame moleculen

Botsingen van langzame moleculen

Samenwerkende Nederlandse wetenschappers uit Berlijn en Nijmegen hebben een nieuwe methode ontwikkeld om botsingen tussen neutrale moleculen en atomen bij lage snelheden te bestuderen.

Samenwerkende Nederlandse wetenschappers uit Berlijn en Nijmegen hebben een nieuwe methode ontwikkeld om botsingen tussen neutrale moleculen en atomen bij lage snelheden te bestuderen. Het bijzondere aan dit experiment is vooral dat voor het eerst de snelheid tussen ongeladen moleculen en atomen van hoog tot zeer laag kan worden gevarieerd, terwijl bij een gekozen snelheid de snelheidsspreiding extreem klein is. Een vergelijking met de meest nauwkeurige theorie op dit gebied, die beschrijft wat er bij een botsing precies gebeurt, leverde een goede overeenstemming op. De onderzoekers publiceren hun resultaten op 15 september 2006 in Science.

Een botsingsexperiment, waarbij onder zo goed mogelijk gecontroleerde omstandigheden twee deeltjes op elkaar geschoten worden, is een van de meest fundamentele manieren om iets over de botsingspartners te leren. Door na de botsing te meten wat er met de botsende deeltjes is gebeurd kunnen we iets leren over deze deeltjes en hun interactie.

Een van de belangrijkste experimentele variabelen is hierbij de snelheid van de botsingspartners ten opzichte van elkaar. Deze botsingssnelheid bepaalt de hoeveelheid energie die beschikbaar is voor eventuele veranderingen, door de botsing, in het deeltje. In experimenten met deeltjesversnellers, zoals bij CERN in Genève, wordt de limiet van hele hoge energieën opgezocht. Daardoor is het mogelijk geladen deeltjes in de kleinst mogelijke deeltjes uit elkaar te schieten. In het Berlijnse experiment met langzame moleculen wordt juist de limiet van hele lage energie opgezocht. De moleculen vallen dan niet uit elkaar, maar blijven intact en kunnen als geheel bestudeerd worden.

Variëren van botsingsenergie

In de groep van Gerard Meijer, oorspronkelijk in Nijmegen, later verbonden aan het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen in Nieuwegein en nu in Berlijn, is een methode ontwikkeld waarmee die zo belangrijke parameter, de botsingsenergie, kan worden gevarieerd. Door hoge elektrische velden op het juiste moment aan en uit te schakelen is het in de afgelopen jaren mogelijk gebleken de snelheid van neutrale moleculen, die normaal gesproken zo’n 500 meter per seconde bedraagt, te variëren tussen 600 en 30 meter per seconde. Hierdoor wordt de kinetische energie van de moleculen en dus de energie die beschikbaar is voor de botsing met hoge precisie gevarieerd. Onderzoekers kunnen dit gebruiken om details van de botsingen bloot te leggen die voorheen door de hoge snelheid en de grote snelheidsspreiding verborgen bleven.

Om de nieuwe methode te demonstreren hebben de onderzoekers de botsingen tussen OH-moleculen (een zogenaamd radicaal dat een belangrijke rol speelt in de atmosferische chemie) en xenon-atomen onderzocht. Er bestaat hierbij de kans dat het OH-molecuul na de botsing gaat draaien. Hoe groot die kans is en hoe hard het gaat draaien hangt af van de beschikbare botsingsenergie. Interessant hieraan is dat als bij zeer lage botsingsenergieën wordt gemeten, de quantumstructuur van de botsende moleculen duidelijk zichtbaar is. Het gevolg is dat niet zomaar elke draaiingssnelheid mogelijk is. In het experiment is nu met zeer hoge precisie gemeten bij welke drempelwaarden voor de botsingsenergie in welke mate draaiing gaat plaatsvinden. Een vergelijking met de meest nauwkeurige theorie op dit gebied, afkomstig van theoretisch quantumchemicus Gerrit Groenenboom uit Nijmegen, leverde een goede overeenstemming op. Dit geeft aan dat het gebruikte theoretische model de fysica van het botsingsproces goed beschrijft.

Schematische voorstelling van het experiment en het energieniveauschema van het OH-radicaal. OH-radicalen worden naar de Stark-afremmer geleid. Deze kan de molecuulsnelheid precies variëren tussen 33 en 700 meter per seconde. Als ze uit de afremmer komen, botsen ze met de xenon-atomen. Met een laser kan vervolgens de gedetailleerde quantumstructuur van de OH-radicalen worden bestudeerd. De wetten van de quantummechanica laten alleen bepaalde rotationele energietoestanden toe. Beeld: Stichting FOM Klik op het plaatje voor een grotere versie

Nieuwe experimenten mogelijk

Er is een scala aan experimenten denkbaar dat met deze nieuwe techniek mogelijk geworden is. Gedacht kan worden aan een uitbreiding op het in Berlijn gedane botsingsexperiment waarbij niet de snelheid van één van de partners wordt gevarieerd, maar zelfs van beide. Hiervoor is het nodig twee afremmers voor neutrale deeltjes gekruist op elkaar te bouwen. Dit zou de nauwkeurigheid waarmee de botsingsenergie gevarieerd kan worden met nog eens een ordegrootte verbeteren, waardoor nog meer details van de quantumstructuur in moleculen aan het licht kunnen komen. Een andere belangrijke toepassing voor de molecuulafremmer vinden we in de chemie. Ook voor chemische reacties geldt namelijk dat als maar weinig energie beschikbaar is voor de reactie ze helemaal niet verlopen of dat quantummechanische effecten het gedrag van de reactie gaan domineren. Om reacties bij dit soort omstandigheden te onderzoeken kan de afremmer een ideaal middel zijn.

De ruim 1 meter lange Stark-afremmer. De OH-moleculen bewegen tussen de elektroden door. Ze worden afgeremd door een spanningsverschil van veertig kiloVolt tussen tegenoverliggende elektroden op de juiste tijden aan en uit te schakelen. Beeld: Stichting FOM

Dit artikel is een publicatie van Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM).
© Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM), alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 14 september 2006
NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.