Los electrones elevados pueden proporcionar una nueva prueba para la Teoría Cuántica

(a)En un átomo Rydberg, un electrón (punto negro) está alejado del núcleo atómico (núcleo rojo y gris). (b) Mapa de probabilidad para un electrón en un átomo Rydberg que muestra que virtualmente no tiene probabilidad de estar cerca del núcleo en el centro. (c) Un peine de frecuencia óptica para producir colores de luz que pueden disparar saltos de energía cuántica útiles para medidas precisas de la constante de Rydberg. Crédito: NIST

Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y del Instituto Max Planck de Física en Alemania creen que pueden lograr un significativo incremento en la precisión de una de las constantes fundamentales de la naturaleza impulsando un electrón a una órbita tan lejos como sea posible del núcleo atómico al que está ligado. El experimento, descrito en un nuevo artículo, no solo significaría unas identificaciones más precisas de los elementos en cualquiera parte desde estrellas a contaminantes del medio ambiente sino también podría suponer la prueba más restrictiva hasta la fecha de la teoría moderna del átomo.

La presa de los físicos es la constante de Rydberg, la cantidad que especifica el color preciso de la luz que se emite cuando un electrón salta de un nivel de energía a otro en un átomo. El valor actual de la constante de Rydberg procede de comparar teoría y experimentos de 23 tipos distintos de saltos de energía en átomos de hidrógeno y deuterio. Los investigadores han medido experimentalmente las frecuencias de la luz emitida por estas transiciones atómicas (saltos de energía) con una precisión tal alta como de 14 partes en mil billones (un uno seguido de 15 ceros), pero el valor de la constante de Rydberg sólo se conoce en aproximadamente 6,6 partes en un billón — 500 veces menos preciso.

El principal obstáculo para un valor más preciso procede de la incertidumbre sobre el tamaño del núcleo del átomo, el cual puede alterar los niveles de energía del electrón y por tanto modificar la frecuencia de la luz que emite. Otra fuente de incertidumbre procede del hecho de que los electrones a veces emiten y reabsorben “fotones virtuales” de vida corta, un proceso que puede también cambiar ligeramente el nivel de energía del electrón.

Para solventar estos problemas, el físico del NIST Peter Mohr y sus colegas proponen hacer ingeniería con el conocido como átomo Rydberg similar al hidrógeno — un núcleo atómico despojado de todo salvo de un electrón en un nivel alto de energía lejos del núcleo. En tales átomos, el electrón está tan lejos del núcleo que el tamaño del último es insignificante, y el electrón aceleraría menos en su órbita elevada, reduciendo el efecto de los “fotones virtuales” que emite. Estas simplificaciones permiten que las incertidumbres teóricas sean tan pequeñas como de 10 partes en un trillón (un uno seguido de 18 ceros).

Los investigadores del NIST Joseph Tan y sus colegas esperan implementar esta aproximación experimental en su Instalación de Trampa de Iones del Rayo de Electrones. La idea sería despojar a un átomo de todos sus electrones, enfriarlo e inyectar un único electrón en una órbita elevada. Entonces los investigadores usarían un dispositivo de medida sensible conocido como peine de frecuencia para medir la luz observada por este átomo Rydberg. El resultado podría ser una medida ultraprecisa de la frecuencia que arrojaría un valor mejorado de la constante de Rydberg. Tal medida serían tan sensible que podría revelar anomalías en la electrodinámica cuántica, la teoría moderna del átomo.


Autor: Ben Stein
Fecha Original: 29 de abril de 2008
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