Ecos do passado: a experiência de Young na base do novo método de espectroscopia de raios-X

Em 1803, um cavalheiro publicou um trabalho no qual descreveu um experimento que comprova a teoria das ondas da luz. Este cavalheiro era Thomas Jung, e sua experiência foi chamada de "experimento de fenda dupla". Mais de dois séculos se passaram, mas o experimento de Jung não foi esquecido e até se tornou a base de um novo método de espectroscopia de raios X, que permite um estudo mais detalhado das propriedades físicas de um sólido. Então, por que a experiência de Jung é considerada um dos fundamentos da física, como os cientistas modernos a usaram e o que resultou disso, aprendemos com o relatório do grupo de pesquisa. Vamos lá

Um pouco de fundo

Como já mencionado, em 1803, Thomas Jung publicou uma descrição de seu experimento incomum. E como “quem não conhece o passado não tem futuro”, consideraremos brevemente essa experiência com você.


Thomas Jung

Portanto, para o experimento, eram necessárias apenas três coisas: luz, uma placa com duas fendas verticais e uma tela de projeção. Nesse caso, a radiação luminosa era monocromática, ou seja, apresentava uma propagação mínima de frequência. A luz é direcionada para a placa com fendas, cuja largura deve ser o mais próxima possível do comprimento de onda da radiação. Uma tela de projeção é necessária para observar o resultado.

E aqui há uma colisão de duas teorias da luz - corpuscular e onda.

O primeiro pressupõe que a luz é composta de partículas. E a segunda é que é uma onda. Com base em cada uma dessas teorias, devemos obter resultados diferentes na experiência de Jung.

E agora vamos plugar alguma fantasia. Imagine que você joga airsoft com nossa tela experiente com slots (sim, o inimigo não é muito bom com isso, mas esse não é o ponto). Você dispara de uma espingarda com bolas, algumas das quais ricocheteiam na tela e outras passam pelas aberturas e entram na tela de projeção. Uma espingarda é uma fonte de radiação luminosa. Bolas são partículas de luz. Assim, na tela, vemos duas listras, ou seja, duas áreas de queda de uma arma.


Representação esquemática da experiência de Jung.

Com a teoria das ondas, é ainda mais interessante, então você precisa de ainda mais imaginação. Agora você joga airsoft intergaláctico, e sua arma, desculpe, seu blaster atira ondas. Quando você dispara uma onda em uma tela, dois slots se tornam o início (fonte) de duas novas ondas secundárias, que já se cruzam atrás da tela. E aqui vamos ver na tela vários resultados diferentes ao mesmo tempo (áreas de "acerto"). Este resultado é a interferência da luz, mas requer certas condições.

Primeiro, as fontes de luz (existem duas no experimento) devem ser coerentes, ou seja, consistentes. Criar duas emissões de luz coerentes é problemático, para dizer o mínimo. Portanto, é utilizado um raio de luz, que é dividido em dois devido à mesma tela com slots. Assim, simulamos coerência devido a ondas secundárias de radiação primária.

Em segundo lugar, a largura dos slots desempenha um papel importante, pois, com o aumento, a iluminação da tela aumentará, ou seja, será mais difícil distinguir entre os máximos e os mínimos do padrão de interferência. Portanto, a largura deve ser o mais próxima possível do comprimento de onda da radiação.

E terceiro, a distância entre os slots afeta a frequência das franjas de interferência.

Como resultado, Thomas Jung não apenas forneceu evidências da interferência da luz, mas também gerou ainda mais controvérsia entre os proponentes das duas teorias, corpuscular e ondulatória.

De fato, a experiência de Jung realmente não brigou (espero, pois os cientistas também podem ser brigões), mas pressionou para um estudo ainda mais profundo da luz, suas características e maneiras de explicá-la.

Com o crescente interesse na física quântica, o experimento de Jung recebeu outra teoria em seu cofrinho - o quantum. E aqui a fantasia não nos ajudará muito, pois é extremamente difícil imaginar uma bola para airsoft, capaz de ser ao mesmo tempo uma partícula e uma onda, separada e conectada, e o diabo sabe o que mais fazer. A conclusão é que os cientistas decidiram realizar um experimento de Jung com um elétron, usando-o em vez da luz.

Os cientistas “dispararam” em um elétron, para que não tivessem a oportunidade de interagir um com o outro. No caminho, eles tinham a mesma tela com dois slots do experimento clássico de Jung e, em seguida, uma tela para visualizar os resultados.

Logicamente, elétrons isolados que caem nos slots devem formar duas áreas de impacto na tela, isto é, como na teoria corpuscular. No entanto, sabemos que a teoria quântica e a lógica clássica frequentemente divergem. O resultado do experimento com elétrons foram muitas áreas de impacto, isto é, como na teoria das ondas. Em outras palavras, um elétron é uma partícula e uma onda (onda de Broglie, para ser mais preciso) ao mesmo tempo. Assim, o elétron está em um estado de superposição quântica, ou seja, possui vários estados ao mesmo tempo que não podem ser realizados simultaneamente do ponto de vista da física clássica. Sim, às vezes parece que os físicos clássicos e quânticos são Ludwig van Beethoven e Ozzy Osbourne - ambos legais, mas de muitas maneiras muito diferentes.


Thomas Jung aparentemente não conseguia imaginar até que ponto sua experiência iria e o quanto ele poderia dizer. E agora consideraremos as ações de nossos contemporâneos que decidiram aplicar a experiência de Thomas Young para implementar um novo tipo de espectroscopia de raios-x.

Base de estudo

Um exemplo impressionante de algo pertencente a partículas e ondas na mecânica quântica é a dispersão inelástica de raios-x (RIXS). Em termos de partículas no RIXS, um fóton de raios X empurra um elétron do núcleo de um átomo para a camada de valência. Nesse momento, forma-se um estado atômico altamente excitado, no qual existe um "vazio" muito localizado de vários picômetros de tamanho. Esse estado intermediário decai muito rapidamente, o que corresponde ao fato de que o vazio é preenchido com um elétron de valência após a reemissão do fóton. O estado excitado final pode corresponder a excitação orbital, magnética ou inter-banda.

Os pesquisadores estão se concentrando no estudo das ondas de raios X que se propagam através do estado intermediário localizado acima mencionado e após formar interferências.

Os cientistas nos transferem um pouco para o passado, mais precisamente nos anos 90. Segundo eles, ficou óbvio até então - mesmo que a dispersão no RIXS seja inelástica e o buraco no núcleo do átomo (melhor chamá-lo de termo "vaga") seja muito local, então as amplitudes de sua formação e aniquilação ainda devem ser resumidas coerentemente usando íons idênticos participantes na deslocalização do estado final de excitação. Por tudo isso, é possível interferência.


Imagem Nº 1

E já em 1994, a manifestação de interferência para RIXS em moléculas diatômicas foi assumida, o que corresponde ao experimento de Jung. Isso é possível devido ao fato de que o estado intermediário do RIXS contém uma única vaga do núcleo, que pode estar em qualquer um dos dois átomos da molécula (imagem nº 1). No estado final, o elétron está em um orbital molecular excitado, que é deslocalizado em dois átomos. A radiação de raios X cria interferência na forma de uma oscilação de interferência sinusoidal no gráfico.

Ba ₃ CeIr ₂ O ₉ (BCIO), um isolador, que é um sólido cristalino com uma estrutura eletrônica quase-molecular ( 2A ), foi escolhido como principal assunto experimental. Tais características tornam possível considerar a interferência muito mais claramente, o que é um sinal claro da simetria das excitações eletrônicas de baixa energia.

Resultados da pesquisa

Assim, para iniciantes, os cientistas cultivaram cristais individuais de BCIO. Cada um dos íons Ir ⁴⁺ dentro dos dímeros estruturais mostrou uma configuração 5d ⁵ com uma vaga na camada t _2g .


Imagem No. 2

Os cientistas observam que a distância mínima entre os íons vizinhos (Ir-Ir) foi de 2,5 Å. Consequentemente, a interação iônica intradimérica é forte o suficiente e promove a formação de orbitais quase-moleculares com forte divisão de ligação-ligação a antibióticos. Essa situação é muito diferente daquela em que existe um Ir ⁴⁺ , quando um forte acoplamento de órbita de rotação (λ ≈ 0,4-0,5 eV) separa o coletor t _2g local e leva a um entrelaçamento de órbita de rotação j = 1/2 momentos ( 2B ).

No caso de uma forte interação rotação-órbita, os estados de ligação / ligação podem formar-se a partir do estado j = 1/2 emaranhado por rotação orbital ( 2D ). No entanto, uma forte interação Ir-Ir pode apagar j = 1/2 momentos. Nesse caso, os orbitais t _2g se tornam uma base muito mais adequada para a formação dos estados de ligação / anti-ligação ( 2C ).


Imagem No. 3

Na imagem 3A, podemos ver os resultados do RIXS da amostra Ba ₃ CeIr ₂ O ₉ com radiação fixa sintonizada na borda L3 de Ir (2p → 5d), que aumenta ressonantemente a dispersão inelástica das excitações dentro de t _2g . 5d t _2g - e ^δ _{g se} dividindo acima de 3 eV, enquanto as funções observadas ( a , B e ℽ no gráfico) estão na faixa de 0,5 ... 1,5 eV. Assim, eles podem ser atribuídos a excitações intr-t _2g . Também é importante notar que o gráfico não possui características características do indivíduo j = 1/2 momento, e o pico de excitação em órbita de spin atinge um máximo de 1,5 λ.

Os pesquisadores observam outra observação importante: a intensidade integrada de funções mostra características pronunciadas da interferência de dois raios, ou seja, uma clara oscilação sinusoidal em função de q _c ( 3B ). Assim, obtivemos a experiência de Jung, apenas neste caso, em vez da distância entre os slots, temos a distância entre os íons (Ir-Ir).

Este estudo é um dos mais difíceis que encontrei, portanto, recomendo que você leia o relatório de cientistas e materiais adicionais , se estiver interessado nos detalhes, nuances e detalhes deste trabalho.

Epílogo

Os cientistas acreditam que a característica mais importante da interferometria RIXS é a capacidade de determinar a simetria das excitações de baixa energia, o que ajuda a distinguir duas versões diferentes dos orbitais descritos nas imagens 2C e 2D.

Obviamente, o estudo do novo método de espectroscopia de raios-X não termina aí, porque os cientistas descreveram apenas ligeiramente a ponta do iceberg. Outras experiências com outros tipos de materiais podem abrir novas maneiras de implementar essa técnica. De qualquer forma, é bom melhorar as técnicas mais recentes para estudar as propriedades físicas de objetos já estudados (supostamente).

Além disso, este estudo foi um exemplo claro do fato de que descobertas e observações feitas vários séculos atrás ainda são capazes não apenas de surpreender, mas também de serem incrivelmente úteis para a criação de novas tecnologias, técnicas etc.

Obrigado pela atenção, continuem curiosos, apesar da complexidade do material que você está interessado :), e uma excelente semana de trabalho para todos, pessoal.

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