همان طور که از سوال بر می آید امواج الکترونی تشکیل شده از الکترون های در حال حرکت به صورت موج هستند. برای مشاهده هر چیزی نیاز است که از آن جسم به چشم ما نور برسد. که دو حالت دارد یا باید شیئ خود نور تولید کند که الکترون این گونه نیست و یا باید نور را بازتاب دهد . پس ما باید به الکترون نور بتابانیم تا پس از بازتاب نور از الکترون، بتوانیم آن را مشاهده کنیم. برای مشاهده جسم ساکن تنها باید مکان آن را تعیین کنیم. اما یک جسم در حال حرکت هم باید مکان آن تعیین گردد و هم سرعت آن قابل محاسبه باشد. الکترون نیز ذره ای در حال حرکت است. پس باید همزمان با محاسبه سرعت ، مکان آن نیز تعیین گردد.همانطور که می دانیم هر چه سرعت ذره بیشتر باشد تعیین مکان آن برای ما سخت تر می شود.

سرعت حرکت الکترون در حالت عادی بسیار بالا و معادل  است. حال وقتی ما برای تعیین مکان الکترون به آن نور می تابانیم باعث تغییر سرعت آن می شویم و نمی توانیم به طور دقیق محل آن را تعیین کنیم . ممکن است این سوال پیش آید که چرا برای مشاهده الکترون آن را متوقف نمی کنیم؟ باید گفت که الکترون به دلیل ویژگی منحصر به فرود خود در صورت توقف نابود می شود. پس ما تنها می توانیم الکترون را ردیابی کنیم و بگوییم که لحظاتی قبل از این نقطه عبور کرده است. هر مقدار که بخواهیم دقیق تر مکان آن را تعیین کنیم میزان خطای ما بیشتر خواهد بود.

اما از چه آشکار سازهایی استفاده می شود؟

این بخش مطلب از مجله رشد آموزش شیمی شماره 71 زمستان 83 ترجمه آقای محمد رییسی دبیر شیمی منطقه 12 تهران و شهر ری برداشت شده است.

برای نخسین با حرکت الکترون های یک اتم ، با استفاده از یک روش عکس برداری بسیار سریع ردیابی می شود. این روش فرصتی را برای پژوهشگران فراهم می کند تا نگاه دقیق تری به واحد های سازنده ماده داشته باشند.آن ها امیدوارند بررسی ساختار الکترونی اتم ها ، سرانجام به تولید لیزرهای پرتوهای X کارآمد و کوچک بینجامد.

پژوهشگران دانشگاه فناوری وین در اتریش و دانشگاه بیله فیلد آلمان در مجله Nature گزارش کردند که چگونه با استفاده از پالس های کوتاه پرتوی X الکترون ها را از اتم کریپتون بیرون رانده اند و سپس زمانی را که طول می کشد تا الکترون های دیگر جای خالی یک الکترون را پر کنند، اندازه گرفته اند. دکتر لوییس دی مائور در این زمینه می گوید:« ما امیدواریم که اینگونه روش ها ، بررسی حرکت الکترون ها را به طور مستقیم امکان پذیر کنند.»

اگر چه که با استفاده از معادله های پایه مکانیک کوانتومی به طور دقیق می توان حرکت الکترون ها را در اتم هیدروژن اندازه گیری کرد.، اما هنوز چگونگی حرکت الکترون در اتم های سنگین کاملاً روشن نیست. شاید با دانستن چگونگی عملکرد الکترون ها بتوان در رفتار آنها تغییر ایجاد کرد. دکتر دی مائور در ادامه می گوید:« با دانستن شیوه رفتار الکترون ها، حتی می توان اندیشه ساخت حالت تازه ای از ماده را عملی کرد.»

دکتر فرانس کراوس ، مدیر مرکز منابع نوری پیشرفته دانشگاه فناوری وین، نگارنده دیگر این مقاله می افزاید:« ما برای عکس برداری از این جزئیات ، به یک دوربین شاتر فرا سریع نیاز داریم. اگر از یک خودرو که با سرعت در حال حرکت است با شاتری عکس برداری کنیم که سرعت آن کم و در حد صدم ثانیه است ، تصویر به دست آمده مبهم به نظر می رسد. اما اگر سرعت شاتر را بالا ببریم و به یک هزارم ثانیه برسانیم، تصویر واضحی بدست می آید.» دانشمندان برای عکس برداری از اتم ها از همین راهکار استفاده می کنند. با کمک فلاش های نوری که هم چون شاتر از سرعت بالایی برخوردارند، می توان از حرکت اتم ها و ملکول ها تصویر هایی واضح تهیه کرد. هر چه پالس نوری استفاده شده سرعت بیشتری داشته باشد، تصویر بدست آمده روشن تر خواهد بود. دکتر رولند نوریش و دکتر جرج بوتر در دهه 1940 از پیشگامان استفاده از این روش بودند.آنها از پالس های نوری که عمری نزدیک به یک صدم ثانیه داشتند ، برای شکستن پیوند های شیمیایی در ملکول های یک گاز بهره گرفتند. با استفاده از یک فلاش، پیش از آنکه قطعه های ایجاد شده با یکدیگر پیوند برقرار کنند، عکس برداری انجام گرفت. این دو دانشمند به پاس پژوهش های خود در زمینه ی یاد شده، به جایزه نوبل شیمی 1967 دست یافتند.

در سال 1999 دکتر احمد زوال از موسسه فناوری کالیفرنیا، به جهت پژوهش هایش درباره واکنش های شیمیایی که با پالس های لیزری انجام می گرفتند، جایزه نوبل شیمی را دریافت کرد. او از پالس های لیزریی استفاده کرد که عمری نزدیک به یک میلیونم ثانیه داشتند. به علت وجود عوامل فیزیکی بنیادی، ایجاد پالس های نوری کوتاه تر از این حد امکان پذیر نبود. بنابراین پژوهشگران عملی شدن این خواسته، به استفاده از موج هایی با طول موج کوتاه تر، مانند پرتو هایX روی آوردند.

در آزمایش های تازه یک پالس لیزری شدید و کوتاه مدت به نمونه ای از گاز که دارای اتم های نئون است، برخورد می کند و اتم های نئون برانگیخته می شوند و یک پالس پرتوی X ازخود منتشر می کنند که عمر آن نزدیک به یک صدم یک تریلیونم ثانیه است.

هم اکنون پژوهش گران پالس ها را از یک اینه دو جزئی می گذرانند تا فاصله کوتاهی میان پالس پرتوی X  و پالس لیزری ایجاد شود. سپس پالس پرتوی X به اتم های کریپتون برخورد می کند و از آنها الکترون جدا می کند. پس از گذشت زمان کوتاهی، پالس لیزر وارد می شود و به این ترتیب پژوهش گران می توانند الکترون را که به فضای خالی ایجاد شده وارد شده، مشاهده کنند. اگر چه که هنوز شناسایی دقیق الکترونی که به این فضا راه می یابد برای پژوهش گران ممکن نیست، اما هنگامی که چنین پدیده ای روی می دهد الکترون وارد شده، انرژی فراوانی به الکترون نزدیک خود وارد می کند و سبب پرتاب شدن الکترون از اتم می شود. پالس لیزری می تواند الکترون های دوم را که از اتم به بیرون پرتاب شده اند، شناسایی کند.

گفتنی است که این آزمایش ها اصل عدم قطعیت هایزنبرگ را رد نمی کند. پالس لیزر موقعیت الکترون را مشخص نمی کند و تنها میزان سرعت آن را نشان می دهد. پژوهش گران با تغیر فاصله زمانی میان پرتوی X و پالس لیزر بار ها آزمایش یاد شده را انجام داده اند و به یک تصویر متحرک از این فرآیند دست یافته اند. این آزمایش ها نشان می دهد که هشت هزارم یک تریلیونم ثانیه طول می کشد تا جای خالی یک الکترون با الکترونی دیگر پر شود.