Het principe van de reconstructie met behulp van fotoelektronspectroscopie (afb: Forschungszentrum Jülich)

Misschien ken je ze nog van de scheikundelessen op de middelbare school, de elektronenbanen (of eigenlijk moet ik zeg molecuulbanen, maar dat vind ik wat verwarrend). Tot voor kort werden die vooral berekend, maar in 2004 lieten onderzoekers uit Japan en Canada met behulp van een laser indirect zien hoe die er echt uit zien. Dat ging om moleculen die uit slechts twee atomen bestonden. Het vorig jaar slaagden onderzoekers uit Duitsland en Oostenrijk er in de elektronenbanen van ingewikkelder moleculen zichtbaar te maken, maar dan slechts in twee dimensies. Nu hebben, min of meer, dezelfde onderzoekers de beelden van de elektronenbaan zichtbaar gemaakt in de (bijna) echte wereld, in drie dimensies.
Voor de truc gebruikten de onderzoekers fotoelektronspectroscopie, een techniek die werkt op basis van het foto-elektrisch effect. Daarbij wordt een molecuullaag op een zilver oppervlak gebombardeerd met fotonen (lichtdeeltjes), waardoor er elektronen ontsnappen (dat fotoelektrische effect). “Die elektronen vliegen niet zo maar rond, maar op een manier waardoor wij iets kunnen zeggen over de molecuulbanen”, zegt Peter Puschnig van de universiteit van Graz. Door de methode verder te verfijnen zijn de onderzoekers er in geslaagd de elektronenbanen in drie dimensies te tekenen. Dat deden ze, onder meer, door fotonen met verschillende energie-inhoud (= verschillende golflengtes) op de molecuullaag los te laten, waardoor de onderzoekers informatie kregen over de derde dimensie. “Dat gebeurt ongeveer op eenzelfde wijze als dat een camera een foto van een voorwerp maakt met verschillende brandpuntafstanden”, zegt medeonderzoeker Stefan Tautz van het Forschungszentrum Jülich (D). Dat kostte vervolgens nog wel een hoop rekenwerk. Voor hun onderzoek gebruikten ze een zeer nauwkeurige lichtbron: MLS bij de Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Berlijn. Die synchrotron zou een van de weinige in de wereld zijn die heel precies geijkte fotonstromen verstuurd. Op die manier ‘zagen’ de onderzoekers de golffunctie van elektronen, die volgens de regels van de kwantummechanica onwaarneembaar zou moeten zijn. Grappig is dat veel onderzoekers twijfel(d)en aan het bestaan van elektronenbanen. Zo zei de theoretisch chemicus Kenichi Fukui, die in 1981 samen met Roald Hoffmann de Nobelprijs voor scheikunde kreeg, in 1977 dat het idee van elektronenbanen ‘ietwat onnatuurlijk was” (Intern. J. Quantum Chem. 12, 277). In 1999 zei Hoffmann dat zelfs onderzoekers die werken met elektronenbanen die niet zien als realiteit: “…natuurkundigen en scheikundigen die ze functioneel met succes gebruiken, zijn wars van het idee dat die banen het bestaansrecht hebben dat (wij denken) dat ze verdienen.” (J. Am. Chem. Soc. 121, 3414). Het onderzoek zou ook nieuw inzicht hebben opgeleverd over het fotoelektrisch effect, vinden de onderzoekers. Opmerkelijk zou het zijn dat de elektronen die ‘ontsnappen’ onder invloed van het fotonenbombardement beschreven kunnen worden als vrije elektronen, een idee dat bijna 50 jaar geleden werd verworpen omdat die zouden worden verstrooid door atoomkernen.

Bron: Alpha Galileo