Imagen Directa de la Función de Onda de una Molécula de Hidrógeno

La función de onda es un objeto matemático que contiene toda la información medible sobre la partícula que describe. Utilizada con la ecuación de Schrödinger, esta predice el comportamiento de un sistema dinámico utilizando las leyes de conservación y newtonianas. Como objeto teórico, la función de onda no puede ser observada. Sin embargo, el cuadrado de la función, que representa la probabilidad de encontrar la partícula en un lugar determinado, es un observable y ha sido recientemente visualizado directamente por un equipo de Frankfurt (Alemania).

Los científicos eligen observar la molécula de hidrógeno, la más simple, que presenta dos protones y dos electrones. En esta configuración, se crean dos orbitales moleculares mediante la aproximación de combinaciones lineales de orbitales atómicos. La molécula de hidrógeno tiene tantos orbitales moleculares como orbitales atómicos creando una interferencia constructiva entre las dos ondas de los dos átomos de hidrógeno. Así, la densidad de probabilidad de los electrones internucleares aumenta.

Orbitales moleculares para la molécula de H₂. (a) Este diagrama muestra la formación de un orbital molecular de enlace. (b) Este diagrama del cuadrado de la función de onda (Ψ²) para el orbital molecular de enlace ilustra el aumento de la densidad de probabilidad de los electrones entre los dos núcleos de hidrógeno. (c) Este diagrama muestra la formación de un orbital molecular antienlace. (d) Este diagrama del cuadrado de la función de onda para el orbital molecular antienlace ilustra el nodo correspondiente a la densidad de probabilidad de electrones nula entre los dos núcleos de hidrógeno.

Las imágenes de la función de onda de los electrones proporcionan información detallada sobre las propiedades de la materia. En la física del estado sólido, la fotoionización se utiliza como una potente herramienta para obtener imágenes de la densidad de un solo electrón. Las técnicas basadas en los fotones pueden aplicarse para pasar de las imágenes fijas a las películas. Por ejemplo, la espectrometría de masas con fotoiones puede fragmentar las moléculas sobre la energía de excitación.

La función de onda no es un observable en la física cuántica, por lo que no se puede observar. Sólo el cuadrado de la función de onda es un observable (si se tienen las herramientas para hacerlo). Este es uno de los principios básicos de la física cuántica. Los que afirman que son capaces de observar la función de onda no están utilizando el lenguaje adecuado porque esto no es posible: lo que hacen es reconstruirla a partir de algunos espectros medidos haciendo algunas aproximaciones. Nunca puede ser una observación directa.

M. Martins de la Universidad de Hamburgo, Alemania

Por el contrario, el proceso inverso a la fotoionización, es decir, la generación de altos armónicos, puede utilizarse para la obtención de imágenes orbitales como otras técnicas, como la espectroscopia del momento de los electrones o la ionización en túnel de campo fuerte. La novedad del reciente descubrimiento realizado por el equipo de M. Martins fue poder observar directamente la función de onda de un sistema de muchos cuerpos. Ellos consiguieron medir la correlación entre los constituyentes y la distribución espacial y de momento de un electrón en función de los de los demás electrones y los núcleos. Han implementado un esquema de imágenes que permite visualizar estas correlaciones entre electrones. Con esta técnica, examinaron la función de onda de dos electrones del H₂ y mostraron la dependencia de la función de onda de la distancia internuclear.

Obviamente, el paso natural a seguir es probar un método similar en moléculas más complicadas", dijo Martín. "Lo más probable es que el método funcione para moléculas pequeñas, pero no está claro que funcione en moléculas muy complejas. No por limitaciones en la idea básica, sino principalmente por limitaciones experimentales, ya que los experimentos de coincidencia en moléculas complejas son mucho más difíciles de analizar debido a los muchos grados de libertad nucleares.

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