Kuidas taltsutada tõrksaid aatomeid?
Et ainete koostisosakeste omadusi parem uurida oleks, tuleb osakesed esmalt peatada. Nii nagu lendava pääsuparve jälgimine ei luba ühe linnu anatoomiat uurida, ei võimalda ka toatemperatuuril ainete vaatlemine üksikuid aatomeid hästi tundma õppida. Ornitoloogid kasutavad lindude püüdmiseks võrke, füüsikutel on selleks otstarbeks oma meetodid. Aatomite püüdmiseks kasutatakse näiteks lasereid, kuid see tehnika seab ranged piirangud peatatavate aatomite elektronstruktuurile. Vaja oleks meetodit, mis aatomite liigist suurt ei hooliks.
Enamikul lihtainetest tavaolekus makroskoopilist magnetvälja ei ole. Siiski on paljude elementide aatomitel põhiolekus olemas suurem või väiksem magnetmoment; iga aatom on kui pisike magnet. Need magnetmomendid on suunatud korrapäratult ja vähegi suuremas ainehulgas kompenseerivad üksteise mõju väga täpselt. Kui aga ainetükk piisavalt tugevasse magnetvälja asetada, joondub välise välja tugevusega proportsionaalne osa aatomeid oma magnetmomentidega välise välja sihis. Niisugune nähtus kannab paramagnetismi nime. Enamik keemilisi elemente ilmutab paramagnetilisi omadusi.
Kui paramagnetiline aatom liigub välises magnetväljas, peaks ta eelneva arutelu põhjal joonduma selle välja sihis. Oletame, et väline väli ei ole ühtlane, vaid selle tugevus kasvab ristsihis välja jõujoontega. Kui meie osake lendab
 |
| Joon.1 Stern-Gerlachi katse põhimõtteskeem |
niisugusesse välja, peaks ta olenevalt enda magnetmomendi suunast käituma erinevalt. Välise väljaga samasuunalise magnetmomendiga aatomid peaksid tõmbuma tugevama välja poole ja erisuunalised nõrgema välja piirkonda. Võiks arvata, et aatomite magnetmomendid paiknevad ruumis juhuslikult ja seega jaguneksid teatud piirkonnas juhuslikult ka kirjeldatud ebaühtlasesse magnetvälja sattunud osakesed, ent tegelikkus on põnevam. Kvantmehaanika ennustab et suundi, mille vahel osakesed valida saavad, on piiratud arv. See ennustus leidis kinnitust 1922 aastal läbi viidud ja teadusajalooks saanud Stern-Gerlachi katses. Otto Stern ja Walther Gerlach näitasid, et hõbeda-aatomid jagunesid kooskõlas kvantteooriaga kaheks kimbuks.
Mis saab, kui magnetvälja tugevus muutub piki lennutrajektoori? Ilmselt võib nüüd kõneleda kahte liiki aatomitest – neist, mille magnetmoment on välja suunas ja neist, millel vastassuunas. Vaatleme siin viimaseid. Lennaku
 |
| Joon.2 Ülal aatomite aeglusti. Kollasega tähistatud elementide aatomite peatamiseks on vaja vähem kui 100 astmega seadet, punasega tähistatud elementide aatomite peatamiseks on tarvis rohkem kui 400 samasugust astet. |
niisugused aatomid solenoidi sisemusse piki selle telge. Sisenedes väljatugevus kasvab ja aatom aeglustub, väljudes väljatugevus kahaneb ja aatom saavutab taas oma algkiiruse. Kui aga väli välja lülitada just siis, kui aatom on jõudnud solenoidi keskele, jätkab ta ühtlast liikumist juba väiksemal kiirusel kui enne solenoidi mõjusse sattumist. Niisuguseid aeglustavaid elemente võib seada järjestikku kuitahes palju ja lõpuks peaks saabuma piir, mil aatom ei jõua enam järgmise solenoidi keskkohani liikuda vaid pöördub tagasi. Kui eelviimase pooli väli on viimasele vastupidine, tekib nende vahel väljatugevuse miinimum ehk lõks, kuhu aatom pidama jääb. Niisugune mõte ei ole uus, ent siiani on suureks tehniliseks raskuseks magnetväljade sisse- ja väljalülitamise ülitäpne ajastamine. Siiski õnnestus Šveitsi Riikliku Tehnoloogiainstituudi teadlastel niisuguse 12 astmega aeglustajaga vesiniku aatomid kinni püüda. Magnetväljade suurim tugevus oli 2.2T. Aeglusti astmete lisamisel peaks võimalikuks saama veel paljude teiste aatomite ja ka molekulide püüdmine. Muude huvitavate rakenduste kõrval võimaldab niisugune lõks säilitada ka antiainet, sest selles puudub kontakt harilike osakestega.
Sarnasel põhimõttel töötab ka elektromagnetiline viskemasin, kuid selles liigub ferromagnetiline raudkuul, mille magnetväli on pooli omaga samasuunaline ja seega teda hoopis kiirendatakse, mitte ei aeglustata. Video
Allikas: APS Physics 1, 25 (2008): Getting a handle on difficult atoms
Toimetas Erik Randla