Jeste li ikada vidjeli atome? Ti i ja smo sastavljeni od njih, tako da u stvari, da. Ali da li ste ikada videli jedan jedini atom? Nedavno je snimljena neverovatna fotografija samo jednog atoma električna polja, pobijedio je na prestižnom takmičenju naučne fotografije, počasti najviša nagrada. Fotografija je u konkurenciju ušla pod sasvim logičnim naslovom “Single Atom in Ion Trap”, a njen autor je David Nadlinger sa Univerziteta u Oksfordu.

Britanski istraživački savjet za inženjerstvo i fizičke nauke (EPSRC) objavio je pobjednike svog nacionalnog takmičenja za naučnu fotografiju, pri čemu je fotografija jednog atoma osvojila glavnu nagradu.

Na fotografiji je atom predstavljen kao sićušna tačka svjetlosti između dvije metalne elektrode koje se nalaze na udaljenosti od oko 2 mm.

Naslov fotografije:

"U središtu fotografije vidljiva je mala svijetla tačka - jedan pozitivno nabijen atom stroncijuma. Gotovo je nepomično drže ga električna polja koja izviru iz metalnih elektroda koje ga okružuju. Kada je obasjan plavo-ljubičastim laserom, atom brzo apsorbira i ponovo emituje svjetlosne čestice, čineći konvencionalnu kameru koju bih mogao fotografirati uz dugu ekspoziciju."

"Fotografija je snimljena kroz prozor ultravisoke vakuum komore u kojoj se nalazi zamka. Laserski hlađeni atomski joni pružaju odličnu osnovu za proučavanje i korištenje jedinstvena svojstva kvantna fizika. Koriste se za kreiranje izuzetno preciznih satova ili, u ovom slučaju, kao čestice za izgradnju budućih kvantnih kompjutera koji će biti u stanju da riješe probleme koji su manji čak i od današnjih najmoćnijih superkompjutera."

Ako još uvijek niste mogli vidjeti atom, evo ga

“Ideja da mogu da vidim jedan atom golim okom oduševila me je, pružajući most između sićušnog kvantnog svijeta i naše makroskopske stvarnosti”, rekao je David Nadlinger.

Zapravo, autor RTCh-a otišao je toliko daleko u svojim „promišljanjima“ da je vrijeme da izazove tešku protuargumentaciju, naime, podatke iz eksperimenta japanskih naučnika da fotografišu atom vodonika, koji je postao poznat 4. novembra. , 2010. Slika jasno pokazuje atomski oblik, potvrđujući i diskretnost i zaokruženost atoma: „Grupa naučnika i stručnjaka sa Univerziteta u Tokiju fotografisala je po prvi put u svetu pojedinačni atom vodonika - najlakši i najmanji od svih atoma, javljaju novinske agencije.

Fotografija je snimljena pomoću jednog od najnovije tehnologije– specijalni skenirajući elektronski mikroskop. Koristeći ovaj uređaj, odvojeni atom vanadijuma je fotografisan zajedno sa atomom vodika.
Prečnik atoma vodika je deset milijarditi deo metra. Ranije se vjerovalo da se fotografira savremena oprema skoro nemoguće. Vodik je najčešća supstanca. Njegov udio u cijelom Univerzumu je otprilike 90%.

Prema naučnicima, na isti način se mogu snimiti i druge slike. elementarne čestice. „Sada možemo vidjeti sve atome koji čine naš svijet“, rekao je profesor Yuichi Ikuhara. “Ovo je iskorak u nove oblike proizvodnje, kada će u budućnosti biti moguće donositi odluke na nivou pojedinačnih atoma i molekula.”

Atom vodonika, relativne boje
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i21/e213001

Grupa naučnika iz Njemačke, Grčke, Holandije, SAD-a i Francuske snimila je atom vodonika. Ove slike, dobijene fotojonizacionim mikroskopom, pokazuju distribuciju elektronske gustine koja je u potpunosti u skladu sa rezultatima teorijskih proračuna. Posao međunarodna grupa predstavljeno na stranicama Physical Review Letters.

Suština metode fotojonizacije je sekvencijalna ionizacija atoma vodika, odnosno uklanjanje elektrona s njih uslijed elektromagnetnog zračenja. Razdvojeni elektroni se usmjeravaju na osjetljivu matricu kroz pozitivno nabijeni prsten, a položaj elektrona u trenutku sudara s matricom odražava položaj elektrona u trenutku jonizacije atoma. Nabijeni prsten, koji odbija elektrone u stranu, djeluje kao sočivo i uz njegovu pomoć slika se uvećava milionima puta.

Ova metoda, opisana 2004. godine, već je korištena za snimanje "fotografija" pojedinačnih molekula, ali su fizičari otišli dalje i koristili fotojonizacijski mikroskop za proučavanje atoma vodika. Pošto udar jednog elektrona proizvodi samo jednu tačku, istraživači su akumulirali oko 20 hiljada pojedinačnih elektrona iz različitih atoma i sastavio prosječnu sliku elektronskih ljuski.

Prema zakonima kvantne mehanike, elektron u atomu sam po sebi nema nikakvu specifičnu poziciju. Samo kada atom stupi u interakciju sa spoljašnje okruženje elektron se pojavljuje s jednom ili drugom vjerovatnoćom u određenom susjedstvu atomskog jezgra: područje u kojem je vjerovatnoća detekcije elektrona najveća naziva se elektronska školjka. Nove slike pokazuju razlike između atoma različitih energetskih stanja; Naučnici su bili u mogućnosti da jasno pokažu oblik elektronskih ljuski koje je predvidjela kvantna mehanika.

Uz pomoć drugih instrumenata, skenirajućih tunelskih mikroskopa, pojedinačni atomi se mogu ne samo vidjeti, već i premjestiti u Pravo mesto. Prije otprilike mjesec dana ova tehnika je omogućila IBM-ovim inženjerima da nacrtaju crtani film, čiji je svaki kadar sastavljen od atoma: takvi umjetnički eksperimenti nemaju nikakav praktičan učinak, ali pokazuju fundamentalnu mogućnost manipulacije atomima. U primijenjene svrhe više se ne koristi atomsko sklapanje, već kemijski procesi sa samoorganizacijom nanostruktura ili samoograničavanjem rasta monoatomskih slojeva na podlozi.

Kao što znate, sve materijalno u svemiru sastoji se od atoma. Atom je najmanja jedinica materije koja nosi svoja svojstva. Zauzvrat, struktura atoma se sastoji od magičnog trojstva mikročestica: protona, neutrona i elektrona.

Štaviše, svaka od mikročestica je univerzalna. To jest, ne možete pronaći dva različita protona, neutrona ili elektrona u svijetu. Svi su apsolutno slični jedni drugima. A svojstva atoma ovisit će samo o kvantitativnom sastavu ovih mikročestica u opšta struktura atom.

Na primjer, struktura atoma vodika sastoji se od jednog protona i jednog elektrona. Sledeći najsloženiji atom, helijum, sastoji se od dva protona, dva neutrona i dva elektrona. Atom litija se sastoji od tri protona, četiri neutrona i tri elektrona, itd.

Atomska struktura (slijeva na desno): vodonik, helijum, litijum

Atomi se kombinuju da bi formirali molekule, a molekuli se kombinuju da bi formirali supstance, minerale i organizme. Molekul DNK, koji je osnova svih živih bića, je struktura sastavljena od iste tri magične cigle svemira kao i kamen koji leži na putu. Iako je ova struktura mnogo složenija.

Čak više neverovatne činjenice otkrivaju se kada pokušamo izbliza sagledati proporcije i strukturu atomskog sistema. Poznato je da se atom sastoji od jezgra i elektrona koji se kreću oko njega duž putanje koja opisuje sferu. Odnosno, ne može se čak ni nazvati pokretom u uobičajenom smislu te riječi. Umjesto toga, elektron se nalazi posvuda i neposredno unutar ove sfere, stvarajući elektronski oblak oko jezgra i formirajući elektromagnetno polje.

Šematski prikazi strukture atoma

Jezgro atoma sastoji se od protona i neutrona, au njemu je koncentrisana gotovo sva masa sistema. Ali u isto vrijeme, samo jezgro je toliko malo da ako se njegov radijus poveća na skalu od 1 cm, tada će polumjer cijele atomske strukture doseći stotine metara. Dakle, sve što percipiramo kao gustu materiju sastoji se od više od 99% energetskih veza između fizičkih čestica i manje od 1% samih fizičkih oblika.

Ali koji su to fizički oblici? Od čega su napravljeni i od kakvog su materijala? Da bismo odgovorili na ova pitanja, pogledajmo pobliže strukture protona, neutrona i elektrona. Dakle, spuštamo se još jedan korak u dubine mikrosvijeta - na nivo subatomskih čestica.

Od čega se sastoji elektron?

Najmanja čestica atoma je elektron. Elektron ima masu, ali nema zapreminu. U naučnom konceptu, elektron se ne sastoji od ničega, već je tačka bez strukture.

Elektron se ne može vidjeti pod mikroskopom. Vidljiv je samo u obliku elektronskog oblaka, koji okolo izgleda kao mutna sfera atomsko jezgro. Istovremeno, nemoguće je sa preciznošću reći gdje se elektron nalazi u određenom trenutku. Instrumenti su sposobni uhvatiti ne samu česticu, već samo njen energetski trag. Suština elektrona nije ugrađena u koncept materije. To je prije kao neka prazna forma koja postoji samo u pokretu i zahvaljujući kretanju.

Nijedna struktura u elektronu još nije otkrivena. To je ista tačkasta čestica kao i kvant energije. U stvari, elektron je energija, međutim, on je njegov stabilniji oblik od onog kojeg predstavljaju fotoni svjetlosti.

Trenutno se elektron smatra nedjeljivim. To je razumljivo, jer je nemoguće podijeliti nešto što nema volumen. Međutim, teorija već ima razvoje prema kojima elektron sadrži trojstvo takvih kvazičestica kao što su:

  • Orbiton – sadrži informacije o orbitalnoj poziciji elektrona;
  • Spinon – odgovoran za okretanje ili obrtni moment;
  • Holon – nosi informaciju o naelektrisanju elektrona.

Međutim, kao što vidimo, kvazičestice nemaju apsolutno ništa zajedničko sa materijom i nose samo informacije.

Fotografije atoma različite supstance u elektronskom mikroskopu

Zanimljivo je da elektron može apsorbirati kvante energije, poput svjetlosti ili topline. U ovom slučaju, atom prelazi u novi nivo energije, a granice elektronskog oblaka se šire. Takođe se dešava da je energija koju apsorbuje elektron tolika da može iskočiti iz atomskog sistema i nastaviti svoje kretanje kao nezavisna čestica. Istovremeno se ponaša kao foton svjetlosti, odnosno kao da prestaje biti čestica i počinje pokazivati ​​svojstva vala. To je dokazano u eksperimentu.

Jungov eksperiment

Tokom eksperimenta, struja elektrona bila je usmjerena na ekran na kojem su bila izrezana dva proreza. Prolazeći kroz ove proreze, elektroni su se sudarili sa površinom drugog projekcionog platna, ostavljajući na njemu svoj trag. Kao rezultat ovog “bombardiranja” elektrona, na projekcijskom platnu se pojavio interferentni uzorak, sličan onom koji bi se pojavio kada bi valovi, ali ne i čestice, prolazili kroz dva proreza.

Ovaj obrazac se javlja zato što je talas koji prolazi između dva proreza podeljen na dva talasa. Kao rezultat daljeg kretanja, valovi se međusobno preklapaju, au nekim područjima se međusobno poništavaju. Rezultat je mnogo linija na projekcijskom platnu, umjesto samo jedne, kao što bi bio slučaj da se elektron ponaša kao čestica.

Struktura jezgra atoma: protoni i neutroni

Protoni i neutroni čine jezgro atoma. I unatoč činjenici da jezgro zauzima manje od 1% ukupne zapremine, u ovoj strukturi je koncentrirana gotovo cijela masa sistema. Ali fizičari su podijeljeni oko strukture protona i neutrona, i ovog trenutka Postoje dvije teorije odjednom.

  • Teorija br. 1 - Standard

Standardni model kaže da se protoni i neutroni sastoje od tri kvarka povezana oblakom gluona. Kvarkovi su tačkaste čestice, baš kao i kvanti i elektroni. A gluoni su virtuelne čestice koje osiguravaju interakciju kvarkova. Međutim, ni kvarkovi ni gluoni nikada nisu pronađeni u prirodi, pa je ovaj model podložan oštroj kritici.

  • Teorija #2 - Alternativa

Ali prema alternativnoj teoriji ujedinjenog polja koju je razvio Ajnštajn, proton, kao i neutron, kao i svaka druga čestica fizički svijet, je elektromagnetno polje koje rotira brzinom svjetlosti.

Elektromagnetna polja čovjeka i planete

Koji su principi strukture atoma?

Sve na svijetu – tanko i gusto, tečno, čvrsto i plinovito – samo su energetska stanja bezbrojnih polja koja prožimaju prostor Univerzuma. Što je viši nivo energije u polju, to je tanji i manje uočljiv. Što je nivo energije niži, to je stabilniji i opipljiviji. Struktura atoma, kao i struktura bilo koje druge jedinice Univerzuma, leži u interakciji takvih polja - različitih po gustoći energije. Ispostavilo se da je materija samo iluzija uma.

Na ovoj fotografiji gledate prvu direktnu sliku orbita elektrona oko atoma - zapravo, valna funkcija atoma!

Za primanje fotografije orbitalna struktura atoma vodonika, istraživači su koristili novi kvantni mikroskop - nevjerovatan uređaj koji omogućava naučnicima da zavire u polje kvantne fizike.

Orbitalnu strukturu prostora u atomu zauzima elektron. Ali da bi opisali ova mikroskopska svojstva materije, naučnici se oslanjaju na valne funkcije – matematičke načine opisivanja kvantnih stanja čestica – naime, kako se ponašaju u prostoru i vremenu.

Po pravilu, u kvantna fizika koristiti formule kao što je Schrödingerova jednadžba za opisivanje stanja čestica.

Prepreke na putu istraživača

Do sada, naučnici zapravo nikada nisu posmatrali talasnu funkciju. Pokušaj da se uhvati tačan položaj ili zamah jednog elektrona bio je kao pokušaj da se uhvati roj muva. Direktna zapažanja bila su iskrivljena vrlo neugodnim fenomenom - kvantnom koherentnošću.

Da biste izmjerili sva kvantna stanja, potreban vam je alat koji može izvršiti višestruka mjerenja stanja čestice tokom vremena.

Ali kako povećati već mikroskopsko stanje kvantne čestice? Grupa međunarodnih istraživača pronašla je odgovor. Koristeći kvantni mikroskop, uređaj koji koristi fotojonizaciju za direktno promatranje atomskih struktura.

U svom članku u popularnom časopisu Physical Review Letters, Aneta Stodolna, koja radi u institutu molekularna fizika(AMOLF) u Holandiji opisuje kako su ona i njen tim dobili strukture elektronnih orbitala čvora atoma vodonika smještenog u statičko električno polje.

Način rada

Nakon ozračivanja laserskim impulsima, jonizovani elektroni su napustili svoje orbite i duž izmjerene putanje upali u 2D detektor (dvostruka mikrokanalna ploča. Detektor je smješten okomito na samo polje). Postoji mnogo putanja duž kojih elektroni mogu putovati prije sudara s detektorom. Ovo istraživačima pruža skup obrazaca interferencije — modela koji odražavaju čvornu strukturu valne funkcije.
Istraživači su koristili elektrostatičko sočivo koje povećava izlazni talas elektrona za više od 20.000 puta.