اتمهای منظومه‌ای، نود و نه بار یونش اورانیوم، و فلوئورسانی القائی

در ابتدای پیدایش نظریه کوانتومی، نیلز بور مدلی برای اتم پیشنهاد کرد که بنا بر آن، الکترونهای مجزا، مانند سیاره‌های دور خورشید، در مدارهایی حول هسته در گردش بودند. اتم بور، با مجاز شمردن تعداد خاصی از مدارهای ممکن برای الکترون، «کوانتیده» بود. سر انجام، مکانیک کوانتومی، یا مکانیک موجی، با حذف مفهوم حرکت الکترون به عنوان ذره‌ای در یک مدار کلاسیک، الکترون را در یک ابر احتمال پخش کرد. و حالا، پیش رفتهای اخیر در طیف نمایی اتمهای دو الکترونی، دست کم جوهر ایده‌های اصلی بور را دو باره به میان آورده است.
در آزمایشهای جدید، اتمها در حالتهای منظومه‌ای، حالتهایی که در آن هر دو الکترون شدیداً بر انگیخته هستند، مشاهده شده‌اند. در این آزمایشها برای بر انگیختن اتم باریوم به حالتهای نهایی کاملاً مشخص از طریق جذب چند فوتون، از سه لیزر تنظیم پذیر پر قدرت استفاده می‌شود. آی. سی. پرسیوال اصطلاح «اتمهای منظومه‌ای» را نخستین بار هنگامی به کار گرفت که برای توصیف این اتمها، ائ نیز مانند بور، از مدارهای کلاسیک کوانتیده استفاده کرد. به نظر می‌رسد که نتایج آزمایشهای اخیر حالتهایی را با هم بستگیهای مخصوص و قوی بین دو الکترون نشان می‌دهند، و این حاکی از آن است که احتمالاً این حالتها نشانگر حالتهای نظری پیش بینی شده هستند که در آنها الکترونها در دو طرف هسته میخ کوب شده‌اند.

اورانیوم 92 بار یونیده

تولید هسته‌های برهنه اورانیوم، U92+- اتمهای اورانیومی که تمام نود و دو الکترون آنها کنده شده‌اند – برای اولین بار به وسیله فیزیک دانهای آزمایشگاه لارنس برکلی دانشگاه کالیفرنیا (L B L) صورت گرفت. کنده شدن الکترونهای اورانیوم بر اثر عبور اتمهای آن با سرعت هشتاد و هفت در صد سرعت نور از برگه‌های نازک ممکن می‌شود. با این سرعت، حرکت اورانیوم در ماده از حرکت الکترونها به دور هسته اورانیوم تندتر است، و بر خورد با ماده به «به جا ماندن» الکترونها می‌انجامد. هنگامی که اتمهای اورانیوم از یک دهم میلی متر مس (در حدود ضخامت یک برگ کاغذ) می‌گذرند، هشتاد و پنج در صد از آنها تمام الکترونهای خود را از دست می‌دهند و در پانزده در صد بقیه تنها یک الکترون باقی می‌ماند.
تولید یونهای اورانیوم در بوالاک آزمایشگاه لارنس برکلی صورت گرفت (عمل پشت سر هم شتاب دهنده‌های بواترون و ابر – هیلاک، بوالاک خوانده می‌شود). بوالاک ماشینی است که ذرات اورانیوم، یعنی سنگینترین عنصر طبیعی، را تا سرعت نزدیک به نور شتاب می‌دهد.
در سرعتهای پایینتر، می‌شود یونهای اورانیوم را با هر تعدادی الکترون (باقی مانده) به دست آورد. از این یونهای اورانیوم در بسیاری از آزمایشها می‌توان استفاده کرد. مثلاً، یون اورانیوم تک الکترونی غالباً در حالت اتمی بر انگیخته شکل می‌گیرد و فوراً یک پرتو ایکس گسیل می‌کند. یک مسأله مهم این است که آیا الکترو دینامیک کوانتومی، یعنی نظریه‌ای که توصیفی دقیق از چنین گسیلهایی از اتم یک الکترونی با هسته حاوی یک پروتون منفرد به دست می‌دهد، برای توصیف گسیل از اتم یک الکترونی با هسته حاوی نود و دو پروتون کفایت می‌کند یا نه.
شناخت چگونگی تولید هسته‌های برهنه اورانیوم هم چنین امکان ساخت شتاب دهنده‌ای را فراهم خواهد ساخت که میان هسته‌های اورانیوم در سرعتهایی نزدیک به سرعت نور بر خورد رو در رو به وجود می‌آورد. انتظار می‌رود که این بر خوردها فشار و دمای بسیار بالایی در داخل هسته به وجود آورند و شرایطی را ایجاد کنند که به نظر می‌رسد در مراحل آغازین جهان موجود بوده باشد.

استفاده از فلوئورسانی القائی در تشخیص

مدتهاست که از نور گسیل شده از گاز یا مایع در حال واکنش به عنوان منبع اطلاعاتی در مورد ماهیت واکنشها استفاده می‌شود. با پیش رفت فنون طیف نمایی، اطلاعات حاصل از این روش مفصلتر و کمیتر شده است. اما در بسیاری از کار بردهای اخیر، مانند پژوهشهای گداخت، صنایع میکرو الکترونیک و انتشار باریکه‌های ذره‌ای، وجود شمار زیادی از فرایندهای بنیادی به کلاف سر در گمی می‌انجامد که درک چگونگی ما وقع را، تنها بر پایه چند مشاهده ماکروسکوپیک، نا ممکن می‌سازد. در این جا به فنون تشخیصی نیاز داریم که با استفاده از آنها بتوان تغییرات زمانی و مکانی کمیتهای بسیاری را، ترجیحاً بدون ایجاد اختلال در فرایندهای مورد بررسی زیر نظر گرفت.
در مؤثرترین این روشها از فلوئورسانی (نور گسیلشی القائی)، که توسط وسایل قابل کنترل القا می‌شود، استفاده می‌کنند. برای نمونه، نور لیزرها با پشمه‌های سینکروترون القا کننده‌ای بسیار مناسب است، زیرا می‌توان آن را در بسیاری از بسامدهای متفاوت، به صورت فورانهای کوتاه و هم خط شده، تولید کرد. فراهم بودن باریکه‌های شدید نور، مشاهده عناصری را که فقط به نسبتهای خیلی کم وجود دارند، امکان پذیر کرده است.
در فلوئورسانی القائی لیزری، بسامد نور لیزر چنان انتخاب می‌شود که با یکی از بسامدهای جذبی در نمونه مولکولی مورد بررسی مطابقت کند. مولکول، پس از بر انگیختگی، با چند بسامد متفاوت تابش خواهد کرد و شدت نور گسیلشی آن معیاری است برای پگالی مولکول در قسمت مشترک میان باریکه لیزر و میدان دید آشکار ساز نور. با استفاده از بسامدی برای آشکار سازی که با بسامد باریکه لیزر فرودی متفاوت باشد می‌توان از مشکل پراکنده شدن نور لیزر اجتناب کرد.
گروه‌هایی چون گروه آزمایشگاههای بل، با اتستفاده از لیزرهای رزینه‌ای تپی توانسته‌اند به تفکیک فضایی بهتر از یک میلی متر و تفکیک زمانی پایینی در حدود ده نانو ثانیه دست یابند. بدین ترتیب امکان آن فراهم می‌شود که رفتار گاز یونیده در تخلیه با بسامد رادیویی را بر حسب تغییر ولتاژ اعمال شده در طی چرخه آن مطالعه کرد، و اطلاعات ارزنده‌ای در باره دینامیک یونها به دست آورد.
بسامدهایی که در آنها ممکن است نور جذب مولکولها شود به انرژی داخلی مولکولها بستگی دارد که آن هم با دما قابل کنترل است. با تنظیم لیزر روی گذارهای ناشی از حالتهای چرخشی گوناگون می‌توان جمعیت هر حالت را اندازه گیری و دما را تعیین کرد. از این عمل، اطلاعات بسیار سودمندی در باره شارش انرژی در اتاقک فراهم می‌شود. اگر چه ترازهای چرخشی مولکولها اغلب در تماس گرمایی با محیط اطرافشان هستند، ولی در مورد حالتهای ارتعاشی و الکترونی غالباً چنین نیست. بنا بر این، اندازه گیری جمعیت نسبی ترازهای ارتعاشی و الکترونی بر انگیخته، از آن چه در فرایندهای مولکولی مشخص می‌گذرد، خبر می‌دهد.
یکی از دست آوردهای گروه آزمایشگاههای بل حکایت از آن دارد که فلوئورسانی القائی لیزری را می‌توان برای اندازه گیری شدت میدان الکتریکی درون پلاسما به کار گرفت. این امر از مشاهده آن دسته از گذارهایی حاصل می‌شود که در مولکولهای نا پریشیده ممنوع هستند، ولی در مولکولهای بر آشفته در اثر میدان الکتریکی مجاز هستند. بدین گونه، اندازه گیری شدت نسبی این گذارها در مقایسه با گذارهای مجاز عادی، شدت میدان الکتریکی موضعی را به دست می‌دهد. این نتیجه با تفکیک زمانی و فشایی قابل توجهی همراه بود، هر چند که خطاهایی در ارتباط با مقدار مطلق میدانها هنوز هم باقی است.
اگر چه در بسیاری از کاربردها نور لیزر چشمه بر انگیزشی برتر به شمار می‌رود، اما در باریکه‌های اتمی و الکترونی نیز می‌توان برای تحریک فلوئورسانی استفاده کرد. گروهی از پرینستون، باریکه کم توانی از اتمهای دوتریم خنثی به قطر تقریبی 5 سانتیمتر را با موفقیت بذای بررسی چگالی ذرات آلفا (He++) در یک رآکتور گداخت توکامک به کار برد. الکترونهای موجود در اتمهای دوتریم به هسته‌های He++ منتقل می‌شوند که حاصل آن یونهای تک بار He+ در حالت بر انگیخته است. این یونها با گسیل فوتونهای پرتو ایکس در طول موج سی صد و چهار آنگستروم وا پاشیده می‌شوند. بدین گونه است که اطلاعات ارزنده‌ای در باره دینامیک یونهای سبک، که در رآکتور گداخت معمولاً به طور کامل یونیده هستند و به شیوه عادی تابش نمی‌کنند، فراهم می‌شود.