美物理学家采用激光技术,将一个电子分成了两部分,并且观察到这两部分相互之间会发生干涉。

据英国《新科学家》杂志报道,两位美国物理学家,在一个原子内,完成了量子力学中的一项经典实验,他们将一个电子分成了两部分,并且观察到了这两部分之间所发生的相互干涉,《新科学家》杂志称,这是在无限小的世界里进行的规模最小的实验。

在19世纪早期,英国物理学家托马斯 · 杨将一束光从一个屏幕上的两个狭缝通过,演示了光的波动性,当光波在狭缝另一边发散时会发生干涉,在背景屏上产生亮暗相间的图案。后来,物理学家还证实,即使光源弱到每次只有一个光子通过狭缝时这种干涉图案也会出现。在这种情况下,每个光子被有效地分成了两个波包,两个波包之间彼此发生干涉。

根据量子理论,像电子这样的基本粒子也具有波动性;用电子来重复托马斯 · 杨的实验,也产生了类似的干涉图案,美国纽约州罗彻斯特大学的麦克尔 · 诺尔和卡洛斯 · 斯特芬德现在所完成的正是这样一个实验,只不过具体而微。

诺尔和斯特芬德不是用狭缝来将电子劈开,而是用激光脉冲来轰击钾原子。钾原子有19个核外电子,其中一个电子在最外层,远离原子核。该实验的关键是将这个电子劈成两个波包。

诺尔和斯特芬德所采用的实验装置由镜面和光束分离器组成,后面可将一个短的激光脉冲分成由3个相同的脉冲构成的一组脉冲,第一个脉冲将基态钾原子的最外层的一个电子转变成具有若干不同激发态的一个波包,这个脉冲还会使该电子进入一个绕原子核运动的焦距很大的椭圆轨道,很像一颗彗星绕太阳运动,而大部分时间都在太阳系之外一样。

调整第二个脉冲的时间,使其在新形成的波包差不多绕轨道运行了一半后到达该电子,这样就会从同一电子产生第二个波包,实际上相当于在轨道的两头将该电子劈成了两个波包。当两个波包继续绕轨道运动时,它们会按量子力学定律有节奏地发散和收缩。当两个波包发散时,它们会彼此相撞,发生干涉 ,与从托马斯 · 杨的狭缝中发散出的光束的行为非常相似。

如果第一个脉冲和第二个脉冲之间的时间间隔正合适,这种干涉会导致两个波包重新合并成一个波包,否则,两个波包将永远不会合并,诺尔和斯特芬德采用第三个激光脉冲来检测是否会出现两个波包重新合并的现象。第三个脉冲起一个探针的作用,每当一个波包的椭圆形轨道将其带到近核点时,这个脉冲就会与它发生作用。研究人员发现,即使两个波包的轨道像计算机芯片上的晶体管一样大,它们也会合并。

在过去的几年里,物理学家已经学会如何捕捉和操纵单个原子,诺尔和斯特芬德等人现在所完成的是对一个原子内的单个电子进行捕捉和操纵。由于原子的化学性质取决于其最外层电子的行为,所以斯特劳德说,激光脉冲技术有可能用于控制化学反应。

[New Scientist,1995年9月30日]