Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde

Nabij het absolute nulpunt gedraagt de natuur zich fundamenteel anders dan bij kamertemperatuur. Zo kunnen bij kamertemperatuur botsingen worden voorgesteld als de interactie van biljartballen. Echter, botsingen tussen atomen en moleculen bij het absolute nulpunt zijn totaal anders. Dit wordt veroorzaakt door het golfkarakter van materie dat bij lage temperaturen veel belangrijker is. In het lab voor spectroscopie van koude moleculen in Nijmegen onderzoeken wij zulke botsingen bij lage temperatuur. Met recent onderzoek hebben wij dit soort processen zowel experimenteel als theoretisch nauwkeurig in kaart kunnen brengen. Dit leidt tot een beter fundamenteel begrip van de mechanismen die ten grondslag liggen aan allerlei chemische processen.

Auteurs: Tim de Jongh en Matthieu Besemer.

Spelregels van koude botsingen
Van de zoektocht naar nieuwe elementaire deeltjes in de versnellers van CERN tot aan het verbeteren van de airbagsystemen van auto’s met behulp van crashtests, botsingsexperimenten worden in allerlei takken van wetenschap en techniek gebruikt om een beter begrip te krijgen van wat er precies gebeurt bij zulke botsingen. Bij het onderzoeken van interacties tussen atomen en moleculen is dit niet anders. Al decennia spelen wetenschappers chemisch biljart om grip te krijgen op de krachten die het verloop van zulke botsingen bepalen. Bij hoge temperaturen, waar de deeltjes met grote snelheden op elkaar knallen, lijkt dit ook daadwerkelijk op biljart. Maar wanneer de snelheden en daarmee de temperatuur worden verlaagd, veranderen de spelregels volledig. Vanwege de grotere De Broglie-golflengte van het systeem (λ = h/p met h de constante van Planck en p de relatieve impuls van de botsende deeltjes) wordt het verloop van moleculaire botsingen dan namelijk volledig gedicteerd door de wetten van de quantummechanica. De deeltjes gedragen zich daardoor als golven en de botsingen hebben meer weg van watergolven die breken op een rots in de zee dan van ketsende biljartballen.

Een van de belangrijkste gevolgen van deze quantummechanische spelregels is de kwantisatie van bepaalde vrijheidsgraden van het systeem. Voor individuele moleculen leidt dit tot een discreet spectrum aan rotatie- en vibratietoestanden. In botsingen is zelfs de onderlinge beweging van atomen en moleculen gekwantiseerd. Dit betekent dat er slechts een beperkt aantal ‘trajecten’ is waarlangs de deeltjes zich kunnen bewegen tijdens een botsing. Deze ‘relatievebewegingtoestanden’ worden ook wel partiële golven genoemd. Net als voor de staande golven van een quantumdeeltje in een doos heeft elk van deze golven een uniek patroon. Dit is geïllustreerd in figuur 1. Bij een deeltje in een doos bepaalt de golffunctie de waarschijnlijkheidsverdeling van de positie van het quantumdeeltje. Op soortgelijke wijze bepalen de golffuncties van de partiële golven de hoekverdeling van gebotste moleculen. De daadwerkelijke hoekverdeling bestaat uit een interferentie van deze golfpatronen. Door die experimenteel te bepalen, kan de vorm van deze golven nauwkeurig worden vastgelegd. Met het traceren van de bijdragen van individuele partiële golven kan de nauwkeurigste informatie over een botsingsexperiment worden vergaard. Het blijkt echter een flinke uitdaging om het experimenteel voor elkaar te krijgen individuele partiële golven te traceren én om deze processen theoretisch nauwkeurig te beschrijven.

Lees het volledige artikel in het decembernummer van het NTvN.