Meer informatie: dienst Interne en Externe Communicatie, tel. 071-5273282
Moleculaire diffractie: een kwantummechanisch fenomeen beschreven met
klassieke mechanica
Persbericht Leids Instituut voor Chemisch Onderzoek (LIC)
Universiteit Leiden, 9 december 2004
Atomaire en moleculaire diffractie werd, in de jaren dertig van de
vorige eeuw, experimenteel gebruikt om het golfkarakter van atomaire
en moleculaire materie aan te tonen. Een team van Spaanse, Franse,
Argentijnse en Nederlandse onderzoekers toonde onlangs aan dat dit
kwantummechanische fenomeen goed beschreven kan worden met
Newtoniaanse, biljartballen klassieke mechanica. Het onderzoek wordt
beschreven in een artikel dat op 10 december verschijnt in Physical
Review Letters.
figuur
Contact
De snelheid van een molecuul dat botst met een oppervlak kan ontbonden
worden in een component parallel aan een oppervlak, en een component
loodrecht erop. Moleculaire diffractie is het verschijnsel dat de
snelheid van een molecuul parallel aan het periodiek oppervlak waarmee
het botst, slechts kan veranderen met discrete hoeveelheden. In
experimenten waarin een bundel van moleculen wordt gericht op een
oppervlak resulteert dit in pieken in de angulaire distributie van de
verstrooide moleculen. Het optreden van die pieken is een
kwantumfenomeen. Echter, in hun recente onderzoek toonden de
onderzoekers aan dat de intensiteit van die pieken goed kan worden
voorspeld door de klassieke, dus niet gekwantiseerde snelheid parallel
aan het oppervlak te binnen, dat wil zeggen: in discrete blokjes te
verdelen.
In de gebruikte procedure wordt aan een gesimuleerde botsing die
eindigt met een snelheid die bijna, maar niet helemaal gelijk is aan
een kwantummechanisch toegestane waarde, toch de kwantummechanisch
toegestane snelheid toegekend. Zoals het begeleidende figuur laat zien
voor waterstofmoleculen die botsen met een nikkel-aluminiumoppervlak
leidt deze simulatietechniek tot een goede beschrijving van
experimenten. Soortgelijke overeenstemming werd gevonden met
kwantummechanische berekeningen die werden verricht in Leiden aan
botsingen van moleculair waterstof met een palladiumoppervlak.
Een soortgelijke aanpak is eerder met succes gebruikt om overdracht
van energie aan de vibraties en rotaties van een molecuul te
beschrijven, waarbij de vibratie- en rotatie-energie van een molecuul,
op grond van de kwantummechanica, eveneens slechts kan veranderen met
discrete hoeveelheden. De reden dat niet eerder is geprobeerd om voor
moleculaire diffractie een zelfde aanpak te gebruiken is
waarschijnlijk dat moleculaire diffractie altijd is opgevat als een
kwantumfenomeen bij uitstek, dat experimenteel was gebruikt om het
golfkarakter van moleculaire beweging aan te tonen. Echter, de
oorsprong van de verandering van de snelheid van moleculen parallel
aan het oppervlak is geheel klassiek: dit volgt simpelweg uit het feit
dat een molecuul dat botst met een oppervlak in het algemeen een
kracht voelt parallel aan dat oppervlak.
Artikel:
In-Plane and Out-of-Plane Diffraction of H2 from Metal Surfaces, D.
Farias, C. Diaz, P. Riviere, H.F. Busnengo, P. Nieto, M.F. Somers*,
G.J. Kroes*, A. Salin, and F. Martin, to appear in Physical Review
Letters on December 10, 2004.
*Leids Instituut voor Chemisch Onderzoek, Universiteit Leiden
Contact:
g.j.kroes@chem.leidenuniv.nl of afdeling wetenschapsvoorlichting
Universiteit Leiden, 071-5273282/06-11351562 E-mail:
wetenschap@ics.leidenuniv.nl
Figuur: Experimenteel gemeten angulaire distributies (getrokken
lijnen) worden vergeleken met angulaire distributies berekend met
klassieke mechanica (gestreepte lijnen). De zwarte curves zijn voor
verstrooiing in het vlak van inval, de groene lijnen voor uit-het-vlak
verstrooiing, van moleculair waterstof aan een
nikkel-aluminiumoppervlak.