17 feb. 1999
2 minuten
FOM-promovendus Gareth Dickenson, MSc. promoveert vandaag aan de Vrije Universiteit (VU) Amsterdam, met zijn proefschrift ‘Laser and synchrotron spectroscopic studies of molecular hydrogen’. Ook verschijnt een belangrijk resultaat van zijn werk in Physical Review Letters.
De FOM-onderzoeker bepaalde via metingen met een zeer nauwkeurig af te stemmen titaan-saffierlaser de exacte hoeveelheid vibratie-energie van een trillend waterstofmolecuul. Deze energie is direct gerelateerd aan de frequentie van het molecuul. Omdat het waterstofmolecuul het eenvoudigste molecuul is dat bestaat, gaat het hier om een meting aan de meest fundamentele vibratie in moleculen.
De speciale titaan-saffierlaser waarmee de onderzoekers het molecuul in trilling brachten, is gebouwd in het LaserLaB van de VU. De frequenties werden vervolgens gemeten via een andere laser, een zogenoemde frequentiekam-laser. Ook deze laser is in het LaserLaB gebouwd. De frequentiekam-laser is gekoppeld aan een cesium-atoomklok. Daardoor konden de onderzoekers de precieze trillingstijd van het molecuul bepalen. De gemeten trillingsfrequentie van het waterstofmolecuul bleek 124748628 ± 5 MHz te zijn.
Theorie ontmoet praktijk
De extreem nauwkeurige metingen van Dicksenson zijn te vergelijken met de theoretische berekeningen die aan dit elementaire systeem zijn gedaan. Prof.dr. Krzysztof Pachucki van de Universiteit van Warschau heeft de trillingsfrequenties van waterstof berekend met een vergelijkbare nauwkeurigheid van acht decimalen. Daartoe moest hij de energieniveaus van het waterstofmolecuul berekenen met de zogeheten Schrödingervergelijking. Daarbij moest hij relativistische correcties uitvoeren die rekening houden met Einsteins relativiteitstheorie. Ten slotte was het noodzakelijk ook de wisselwerking van het molecuul met het vacuüm mee te nemen, omdat in het vacuüm voortdurend kortstondige ‘spookdeeltjes’ ontstaan.
De berekende trillingsfrequentie blijkt perfect overeen te komen met de gemeten frequentie. Dat geldt niet alleen voor het H2-molecuul, maar ook voor de moleculen waarbij een waterstofkern is vervangen door een deuterium kern (HD en D2).
Fundamenteel
Het is interessant dergelijke metingen en berekeningen uit te breiden naar grotere moleculen, omdat daarmee een beter begrip van de energiebalans in chemische reacties kan worden verkregen. Verder zijn de metingen van belang voor de fundamentele natuurkunde. Omdat voor het relatief eenvoudige systeem van het waterstofatoom ook zeer precieze berekeningen bestaan, geeft de overeenkomst tussen praktijk en theorie uitsluitsel over een zoektocht naar nieuwe natuurkrachten. Natuurkundigen zijn al lang op zoek naar een ‘vijfde’ natuurkracht, en het waterstofmolecuul is de uitgelezen kandidaat om hiernaar te zoeken. Aangezien alle berekeningen zijn gedaan met de elektromagnetische kracht, en de onderzoekers een exacte overeenstemming vonden tussen theorie en experiment, kan het bestaan van een vijfde kracht vooralsnog worden uitgesloten – althans tot op zekere nauwkeurigheid.
Dickenson, G.D., M.L. Niu, E.J. Salumbides, J. Komasa, K.S.E. Eikema, K. Pachucki, and W. Ubachs. "The Fundamental Vibration of Molecular Hydrogen", Physical Review Letters (2013).
Een voorpublicatie van dit artikel staat online op arXiv.
Het onderzoek maakt deel uit van het FOM-programma ‘Broken Mirrors & Drifting Constants‘.
Anderen lazen ook
