Hoe lang doet licht er over een waterstof molecuul te passeren?

Een foton (gele pijl) veroorzaakt golven van elektronen als het door de ‘wolk’ van elektronen (grijs) gaat van het waterstof molecuul (rood zijn de twee protonen). Er ontstaat dan een interferentiepatroon, dat iets naar rechts is gebogen en daaruit kunnen ze afleiden hoe lang het foton er over doet om het molecuul te passeren. Credit: Sven Grundmann, Goethe University Frankfurt.

Onderzoekers van de Goethe Universiteit zijn er met de Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), een deeltjesversneller bij Hamburg in Duitsland, in geslaagd om de duur te meten van de periode dat energierijk licht (röntgenstraling) nodig heeft om één enkel waterstof molecuul te passeren. Het gaat om het molecuul H2, bestaande uit twee protonen en elektronen. Als zo’n molecuul beschenen wordt door licht (fotonen) kunnen de elektronen door de toegenomen energie uit hun grondbaan schieten en dat kunnen ze meten. Dat deden ze eerder al met atomen met veel meer protonen en elektronen, maar het is nu voor het eerst dat ze dit doen met zoiets kleins als een waterstofmolecuul. De definitie van een seconde is ook gebaseerd op het beschieten van een atoom met licht en dan kijken hoe lang het duurt voor de elektronen in een hogere baan om de atoomkern terechtkomen:

Een seconde is de duur van 9 192 631 770 perioden van de straling die correspondeert met de overgang tussen de twee hyperfijnenergieniveaus van de grondtoestand van een cesium-133-atoom in rust bij een temperatuur van 0 K

Hier gaat het om een cesium-133 atoom, dat 55 protonen, 78 neutronen en 55 elektronen telt. H2 telt zoals gezegd slechts 2 protonen en 2 elektronen, geen neutronen. En het resultaat van de metingen bij DESY? Licht doet er welgeteld 247 zeptoseconde over om zo’n molecuul te passeren, om van de ene kant naar de andere kant te gaan, dat is 0,000000000000000000247 seconden (1 zeptoseconde is 10-²¹ seconden). En daarmee is dit de kortste tijdspanne die wetenschappers ooit hebben gemeten. Hier het vakartikel voor iedereen die ’t nog eens rustig na wil lezen, vorige maand verschenen in Science. Bron: Goethe Universiteit.