VAN DER WAALSKRACHT GEMETEN MET EEN ATOOMTRAMPOLINE

Meer dan honderd jaar geleden realiseerde de Nederlandse fysicus Van der Waals zich al dat moleculen elkaar aantrekken. Zijn beroemde gaswet bevat dan ook een term die de kracht tussen moleculen in rekening brengt. Hoe deze Van der Waalskracht precies tot stand komt, werd pas vijftig jaar later duidelijk met de ontwikkeling van de quantummechanica.

Zowel theoretisch - onder andere door onze landgenoot Casimir - als experimenteel wordt er tot op de dag van vandaag nog veel werk aan verricht.

Zo hebben Franse fysici onlangs een vernuftige techniek ontwikkeld om de Van der Waalskracht tussen een enkel atoom op een bepaalde afstand van een wand te meten (Physical Review Letters, 19 augustus), iets waar tot nu toe nog niemand in geslaagd was. Daarbij werd gebruik gemaakt van een exotisch optisch effect: lichtstralen die zich in een blok glas bevinden, kunnen toch daarbuiten op atomen nog een afstotende kracht uitoefenen.

Een bundel cesiumatomen werd met geringe snelheid op een prisma afgestuurd. Binnenin werd, aan het grensvlak van glas en lucht, een laserbundel gereflecteerd. De atomen die het glas naderden, waren nu onderhevig aan twee krachten: een afstotende, die het gevolg is van de interactie met de fotonen in de lichtbundel, en een aantrekkende Van der Waalskracht.

Door de kleur van het gebruikte licht te veranderen kon de sterkte van de lichtkracht worden gevarieerd. Zolang deze groter was dan de Van der Waalskracht, lag er voor de atomen dus een soort trampoline waarop ze terugkaatsten. Dat alles kon vlak boven het oppervlak, op een hoogte van ongeveer een centimeter, worden gevolgd. Daar werden de passerende atomen gedetecteerd, eerst wanneer ze weer omhoog kwamen, en daarna wanneer ze voor de tweede keer naar beneden vielen. Uitgaande van de tijd die verstreken was tussen deze twee passages en de beginsnelheid van de moleculen was het daarna eigenlijk alleen nog maar een kwestie van wat klassieke mechanica: iets wat iedere middelbare scholier in principe zou moeten kunnen, ware het niet dat de krachten in dit geval een wat ingewikkelder vorm hadden.

Zoals misschien te verwachten was, bleken de experimentele resultaten in overeenstemming met de voorspellingen van de quantummechanica, al was de meetfout nog vrij groot. Het is daarom eerst en vooral noodzakelijk om deze naar beneden te krijgen en de metingen te herhalen voor atomen met verschillende beginsnelheden. Zo kan de Van der Waalskracht als functie van de afstand worden gemeten.