Στην πραγματικότητα, ο συγγραφέας του RTCh έχει προχωρήσει τόσο μακριά στις «αντανακλάσεις» του που ήρθε η ώρα να προκαλέσει έναν βαρύ αντεπιχείρημα, συγκεκριμένα δεδομένα από ένα πείραμα Ιαπώνων επιστημόνων για τη φωτογράφηση του ατόμου υδρογόνου, το οποίο έγινε γνωστό στις 4 Νοεμβρίου. , 2010. Η εικόνα δείχνει ξεκάθαρα το ατομικό σχήμα, επιβεβαιώνοντας τόσο τη διακριτικότητα όσο και τη στρογγυλότητα των ατόμων: «Μια ομάδα επιστημόνων και ειδικών από το Πανεπιστήμιο του Τόκιο φωτογράφισαν για πρώτη φορά στον κόσμο ένα μεμονωμένο άτομο υδρογόνου - το ελαφρύτερο και μικρότερο από όλα τα άτομα. αναφέρουν τα πρακτορεία ειδήσεων.

Η φωτογραφία τραβήχτηκε χρησιμοποιώντας ένα από τα τελευταίες τεχνολογίες– ειδική σάρωση ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Χρησιμοποιώντας αυτή τη συσκευή, ένα ξεχωριστό άτομο βαναδίου φωτογραφήθηκε μαζί με ένα άτομο υδρογόνου.
Η διάμετρος ενός ατόμου υδρογόνου είναι ένα δέκα δισεκατομμυριοστό του μέτρου. Παλαιότερα πίστευαν ότι η λήψη μιας φωτογραφίας του σύγχρονο εξοπλισμόσχεδόν αδύνατον. Το υδρογόνο είναι η πιο κοινή ουσία. Το μερίδιό του σε ολόκληρο το Σύμπαν είναι περίπου 90%.

Σύμφωνα με τους επιστήμονες, με τον ίδιο τρόπο μπορούν να συλληφθούν και άλλα στοιχειώδη σωματίδια. «Τώρα μπορούμε να δούμε όλα τα άτομα που συνθέτουν τον κόσμο μας», είπε ο καθηγητής Yuichi Ikuhara. «Αυτή είναι μια σημαντική ανακάλυψη σε νέες μορφές παραγωγής, όταν στο μέλλον θα είναι δυνατή η λήψη αποφάσεων σε επίπεδο μεμονωμένων ατόμων και μορίων».

Άτομο υδρογόνου, σχετικά χρώματα
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i21/e213001

Μια ομάδα επιστημόνων από τη Γερμανία, την Ελλάδα, την Ολλανδία, τις ΗΠΑ και τη Γαλλία τράβηξε φωτογραφίες του ατόμου του υδρογόνου. Αυτές οι εικόνες, που ελήφθησαν χρησιμοποιώντας μικροσκόπιο φωτοιονισμού, δείχνουν μια κατανομή πυκνότητας ηλεκτρονίων που είναι απολύτως συνεπής με τα αποτελέσματα των θεωρητικών υπολογισμών. Το έργο της διεθνούς ομάδας παρουσιάζεται στις σελίδες του Physical Review Letters.

Η ουσία της μεθόδου φωτοϊοντισμού είναι ο διαδοχικός ιονισμός των ατόμων υδρογόνου, δηλαδή η απομάκρυνση ενός ηλεκτρονίου από αυτά λόγω ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Τα διαχωρισμένα ηλεκτρόνια κατευθύνονται στην ευαίσθητη μήτρα μέσω ενός θετικά φορτισμένου δακτυλίου και η θέση του ηλεκτρονίου τη στιγμή της σύγκρουσης με τη μήτρα αντανακλά τη θέση του ηλεκτρονίου τη στιγμή του ιοντισμού του ατόμου. Ο φορτισμένος δακτύλιος, που εκτρέπει τα ηλεκτρόνια στο πλάι, λειτουργεί ως φακός και με τη βοήθειά του η εικόνα μεγεθύνεται εκατομμύρια φορές.

Αυτή η μέθοδος, που περιγράφηκε το 2004, είχε ήδη χρησιμοποιηθεί για τη λήψη «φωτογραφιών» μεμονωμένων μορίων, αλλά οι φυσικοί προχώρησαν παραπέρα και χρησιμοποίησαν ένα μικροσκόπιο φωτοϊοντισμού για να μελετήσουν άτομα υδρογόνου. Δεδομένου ότι η πρόσκρουση ενός ηλεκτρονίου παράγει μόνο ένα σημείο, οι ερευνητές συσσώρευσαν περίπου 20 χιλιάδες μεμονωμένα ηλεκτρόνια από διαφορετικά άτομα και συνέταξαν μια μέση εικόνα των φλοιών ηλεκτρονίων.

Σύμφωνα με τους νόμους της κβαντικής μηχανικής, το ηλεκτρόνιο σε ένα άτομο δεν έχει κάποια συγκεκριμένη θέση από μόνο του. Μόνο όταν ένα άτομο αλληλεπιδρά με το εξωτερικό περιβάλλον, ένα ηλεκτρόνιο εμφανίζεται με τη μία ή την άλλη πιθανότητα σε μια συγκεκριμένη γειτονιά του ατομικού πυρήνα: η περιοχή στην οποία η πιθανότητα ανίχνευσης ενός ηλεκτρονίου είναι μέγιστη ονομάζεται νέφος ηλεκτρονίων. Οι νέες εικόνες δείχνουν διαφορές μεταξύ ατόμων διαφορετικών ενεργειακών καταστάσεων. Οι επιστήμονες μπόρεσαν να αποδείξουν με σαφήνεια το σχήμα των κελυφών ηλεκτρονίων που προβλεπόταν από την κβαντική μηχανική.

Με τη βοήθεια άλλων οργάνων, μικροσκόπια σάρωσης σήραγγας, μεμονωμένα άτομα μπορούν όχι μόνο να φαίνονται, αλλά και να μετακινούνται σε Σωστό μέρος. Πριν από περίπου ένα μήνα, αυτή η τεχνική επέτρεψε στους μηχανικούς της IBM να σχεδιάσουν ένα καρτούν, κάθε καρέ του οποίου αποτελείται από άτομα: τέτοια καλλιτεχνικά πειράματα δεν έχουν κανένα πρακτικό αποτέλεσμα, αλλά καταδεικνύουν τη θεμελιώδη δυνατότητα χειρισμού των ατόμων. Για εφαρμοσμένους σκοπούς, δεν χρησιμοποιείται πλέον ατομική συναρμολόγηση, αλλά χημικές διεργασίες με αυτοοργάνωση νανοδομών ή αυτοπεριορισμό της ανάπτυξης μονοατομικών στρωμάτων στο υπόστρωμα.

Σε αυτή τη φωτογραφία βλέπετε την πρώτη άμεση εικόνα των τροχιών ενός ηλεκτρονίου γύρω από ένα άτομο - στην πραγματικότητα, την κυματική συνάρτηση του ατόμου!

Για να λάβετε μια φωτογραφία τροχιακή δομήάτομο υδρογόνου, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το πιο πρόσφατο κβαντικό μικροσκόπιο - μια απίστευτη συσκευή που επιτρέπει στους επιστήμονες να κοιτάζουν στην περιοχή κβαντική φυσική.

Η τροχιακή δομή του χώρου σε ένα άτομο καταλαμβάνεται από ένα ηλεκτρόνιο. Αλλά για να περιγράψουν αυτές τις μικροσκοπικές ιδιότητες της ύλης, οι επιστήμονες βασίζονται σε κυματικές συναρτήσεις - μαθηματικούς τρόπους περιγραφής των κβαντικών καταστάσεων των σωματιδίων - δηλαδή, πώς συμπεριφέρονται στο χώρο και στο χρόνο.

Κατά κανόνα, στην κβαντική φυσική χρησιμοποιούνται τύποι όπως η εξίσωση Schrödinger για να περιγράψουν τις καταστάσεις των σωματιδίων.

Εμπόδια στο δρόμο των ερευνητών

Μέχρι τώρα, οι επιστήμονες δεν είχαν παρατηρήσει ποτέ την κυματική λειτουργία. Το να προσπαθείς να συλλάβεις την ακριβή θέση ή την ορμή ενός μόνο ηλεκτρονίου ήταν σαν να προσπαθείς να πιάσεις ένα σμήνος από μύγες. Οι άμεσες παρατηρήσεις παραμορφώθηκαν από ένα πολύ δυσάρεστο φαινόμενο - την κβαντική συνοχή.

Για να μετρήσετε όλες τις κβαντικές καταστάσεις, χρειάζεστε ένα εργαλείο που μπορεί να κάνει πολλαπλές μετρήσεις των καταστάσεων ενός σωματιδίου με την πάροδο του χρόνου.

Πώς όμως να αυξηθεί η ήδη μικροσκοπική κατάσταση ενός κβαντικού σωματιδίου; Μια ομάδα διεθνών ερευνητών βρήκε την απάντηση. Χρησιμοποιώντας ένα κβαντικό μικροσκόπιο, μια συσκευή που χρησιμοποιεί φωτοϊοντισμό για να παρατηρήσει απευθείας τις ατομικές δομές.

Στο άρθρο της στο δημοφιλές περιοδικό Physical Review Letters, η Aneta Stodolna, που εργάζεται στο ινστιτούτο μοριακή φυσική(AMOLF) στην Ολλανδία περιγράφει πώς αυτή και η ομάδα της απέκτησαν τις δομές των τροχιακών ηλεκτρονίων κόμβου ενός ατόμου υδρογόνου που βρίσκεται σε ένα στατικό ηλεκτρικό πεδίο.

Μέθοδος εργασίας

Μετά την ακτινοβολία με παλμούς λέιζερ, τα ιονισμένα ηλεκτρόνια έφυγαν από τις τροχιές τους και κατά μήκος μιας μετρημένης τροχιάς έπεσαν σε έναν ανιχνευτή 2D (πλάκα διπλού μικροκαναλιού. Ο ανιχνευτής βρίσκεται κάθετα στο ίδιο το πεδίο). Υπάρχουν πολλές τροχιές κατά μήκος των οποίων τα ηλεκτρόνια μπορούν να ταξιδέψουν πριν συγκρουστούν με τον ανιχνευτή. Αυτό παρέχει στους ερευνητές ένα σύνολο μοτίβων παρεμβολών—μοντέλα που αντικατοπτρίζουν την κομβική δομή της κυματικής συνάρτησης.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν έναν ηλεκτροστατικό φακό που μεγεθύνει το εξερχόμενο κύμα ηλεκτρονίων κατά περισσότερες από 20.000 φορές.

Ο Trurl άρχισε να πιάνει άτομα, να ξύνει ηλεκτρόνια από αυτά, να ζυμώνει πρωτόνια μέχρι να τρεμοπαίζουν μόνο τα δάχτυλά του, ετοίμασε ζύμη πρωτονίων, άπλωσε ηλεκτρόνια γύρω του και - για το επόμενο άτομο. Δεν είχαν περάσει ούτε πέντε λεπτά πριν κρατούσε στα χέρια του ένα μπλοκ από καθαρό χρυσό: το έδωσε στο ρύγχος του, κι εκείνη, αφού δοκίμασε το μπλοκ στο δόντι της και κούνησε το κεφάλι της, είπε:
- Και πράγματι είναι χρυσός, αλλά δεν μπορώ να κυνηγήσω άτομα έτσι. Είμαι πολύ μεγάλος.
- Δεν πειράζει, θα σας δώσουμε μια ειδική συσκευή! - Τον έπεισε ο Τρουρλ.

Stanislaw Lem, Cyberiad

Είναι δυνατόν, χρησιμοποιώντας ένα μικροσκόπιο, να δούμε ένα άτομο, να το διακρίνουμε από ένα άλλο άτομο, να παρατηρήσουμε την καταστροφή ή το σχηματισμό ενός χημικού δεσμού και να δούμε πώς ένα μόριο μετασχηματίζεται σε ένα άλλο; Ναι, αν δεν είναι απλό μικροσκόπιο, αλλά ατομικής δύναμης. Και δεν χρειάζεται να περιοριστείτε στην παρατήρηση. Ζούμε σε μια εποχή που το μικροσκόπιο ατομικής δύναμης δεν είναι πλέον απλώς ένα παράθυρο στον μικρόκοσμο. Σήμερα αυτή η συσκευή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να μετακινήσει άτομα, να καταστρέψει χημικοί δεσμοί, μελετώντας το όριο τάνυσης μεμονωμένων μορίων - και ακόμη και για τη μελέτη του ανθρώπινου γονιδιώματος.

Γράμματα κατασκευασμένα από pixel xenon

Η εξέταση των ατόμων δεν ήταν πάντα τόσο εύκολη. Η ιστορία του μικροσκοπίου ατομικής δύναμης ξεκίνησε το 1979, όταν ο Gerd Karl Binnig και ο Heinrich Rohrer, που εργάζονταν στο Ερευνητικό Κέντρο IBM στη Ζυρίχη, άρχισαν να δημιουργούν ένα όργανο που θα επέτρεπε τη μελέτη επιφανειών σε ατομική ανάλυση. Για να καταλήξουν σε μια τέτοια συσκευή, οι ερευνητές αποφάσισαν να χρησιμοποιήσουν το φαινόμενο της σήραγγας - την ικανότητα των ηλεκτρονίων να ξεπερνούν φαινομενικά αδιαπέραστα εμπόδια. Η ιδέα ήταν να προσδιοριστεί η θέση των ατόμων στο δείγμα μετρώντας την ισχύ του ρεύματος σήραγγας που προκύπτει μεταξύ του καθετήρα σάρωσης και της υπό μελέτη επιφάνειας.

Οι Binnig και Rohrer πέτυχαν και έμειναν στην ιστορία ως οι εφευρέτες του μικροσκοπίου σάρωσης σήραγγας (STM) και το 1986 έλαβαν το βραβείο Νόμπελ Φυσικής. Το μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας έχει κάνει μια πραγματική επανάσταση στη φυσική και τη χημεία.

Το 1990, ο Don Eigler και ο Erhard Schweitzer, που εργάζονταν στο Ερευνητικό Κέντρο IBM στην Καλιφόρνια, έδειξαν ότι το STM μπορεί να χρησιμοποιηθεί όχι μόνο για την παρατήρηση των ατόμων, αλλά και για τον χειρισμό τους. Χρησιμοποιώντας έναν ανιχνευτή μικροσκοπίου σάρωσης σήραγγας, δημιούργησαν ίσως την πιο δημοφιλή εικόνα που συμβολίζει τη μετάβαση των χημικών στην εργασία με μεμονωμένα άτομα - ζωγράφισαν τρία γράμματα σε μια επιφάνεια νικελίου με 35 άτομα ξένον (Εικ. 1).

Ο Binnig δεν επαναπαύτηκε στις δάφνες του - τη χρονιά που έλαβε βραβείο ΝόμπελΜαζί με τους Christopher Gerber και Kelvin Quaite, που εργάζονταν επίσης στο Ερευνητικό Κέντρο της IBM Zurich, άρχισε να εργάζεται σε μια άλλη συσκευή για τη μελέτη του μικροκόσμου, χωρίς τα μειονεκτήματα που ενυπάρχουν στο STM. Το γεγονός είναι ότι με τη βοήθεια ενός μικροσκοπίου σάρωσης σήραγγας ήταν αδύνατο να μελετηθούν διηλεκτρικές επιφάνειες, αλλά μόνο αγωγοί και ημιαγωγοί, και για να αναλυθούν οι τελευταίοι, ήταν απαραίτητο να δημιουργηθεί ένα σημαντικό κενό μεταξύ αυτών και του καθετήρα μικροσκοπίου. Συνειδητοποιώντας ότι η δημιουργία μιας νέας συσκευής ήταν ευκολότερη από την αναβάθμιση μιας υπάρχουσας, οι Binnig, Gerber και Quaite επινόησαν το μικροσκόπιο ατομικής δύναμης ή AFM. Η αρχή της λειτουργίας του είναι ριζικά διαφορετική: για να λάβουν πληροφορίες σχετικά με την επιφάνεια, δεν μετρούν την τρέχουσα ισχύ που προκύπτει μεταξύ του καθετήρα μικροσκοπίου και του δείγματος που μελετάται, αλλά την τιμή των ελκτικών δυνάμεων που προκύπτουν μεταξύ τους, δηλαδή οι ασθενείς μη χημικές αλληλεπιδράσεις - δυνάμεις van der Waals.

Το πρώτο μοντέλο λειτουργίας του AFM ήταν σχετικά απλό. Οι ερευνητές μετακίνησαν έναν διαμαντένιο καθετήρα πάνω από την επιφάνεια του δείγματος, συνδεδεμένο με έναν εύκαμπτο μικρομηχανικό αισθητήρα - έναν πρόβολο από φύλλο χρυσού (η έλξη προκύπτει μεταξύ του καθετήρα και του ατόμου, ο πρόβολος κάμπτεται ανάλογα με τη δύναμη έλξης και παραμορφώνει το πιεζοηλεκτρικό) . Ο βαθμός κάμψης του προβόλου προσδιορίστηκε χρησιμοποιώντας πιεζοηλεκτρικούς αισθητήρες - με παρόμοιο τρόπο που οι αυλακώσεις και οι ραβδώσεις ενός δίσκου βινυλίου μετατρέπονται σε ηχογράφηση. Ο σχεδιασμός του μικροσκοπίου ατομικής δύναμης του επέτρεψε να ανιχνεύσει ελκτικές δυνάμεις έως και 10-18 newton. Ένα χρόνο μετά τη δημιουργία ενός πρωτοτύπου εργασίας, οι ερευνητές μπόρεσαν να λάβουν μια εικόνα της τοπογραφίας της επιφάνειας του γραφίτη με ανάλυση 2,5 angstroms.

Τις τρεις δεκαετίες που έχουν περάσει από τότε, το AFM έχει χρησιμοποιηθεί για τη μελέτη σχεδόν οποιουδήποτε χημικού αντικειμένου - από την επιφάνεια ενός κεραμικού υλικού έως τα ζωντανά κύτταρα και τα μεμονωμένα μόρια, τόσο σε στατική όσο και σε δυναμική κατάσταση. Το μικροσκόπιο ατομικής δύναμης έχει γίνει το επίκεντρο των χημικών και των επιστημόνων υλικών και ο αριθμός των μελετών που χρησιμοποιούν αυτή τη μέθοδο αυξάνεται συνεχώς (Εικ. 2).

Με τα χρόνια, οι ερευνητές επέλεξαν συνθήκες τόσο για μελέτη επαφής όσο και χωρίς επαφή αντικειμένων χρησιμοποιώντας μικροσκοπία ατομικής δύναμης. Η μέθοδος επαφής περιγράφεται παραπάνω και βασίζεται στην αλληλεπίδραση van der Waals μεταξύ του προβόλου και της επιφάνειας. Όταν λειτουργεί σε λειτουργία χωρίς επαφή, ο πιεζοδιωκτητής διεγείρει τις ταλαντώσεις του καθετήρα σε μια ορισμένη συχνότητα (συνήθως συντονισμένη). Η δύναμη που ασκείται από την επιφάνεια προκαλεί αλλαγή τόσο του πλάτους όσο και της φάσης των ταλαντώσεων του καθετήρα. Παρά ορισμένα μειονεκτήματα της μεθόδου χωρίς επαφή (κυρίως ευαισθησία στον εξωτερικό θόρυβο), εξαλείφει την επίδραση του ανιχνευτή στο υπό μελέτη αντικείμενο και επομένως είναι πιο ενδιαφέρουσα για τους χημικούς.

Ζωντανό σε ανιχνευτές, σε αναζήτηση συνδέσεων

Το μικροσκόπιο ατομικής δύναμης έγινε μη επαφή το 1998 χάρη στη δουλειά του μαθητή του Binnig, Franz Josef Gissibl. Ήταν αυτός που πρότεινε τη χρήση ενός ταλαντωτή αναφοράς χαλαζία σταθερής συχνότητας ως πρόβολο. 11 χρόνια αργότερα, ερευνητές από το εργαστήριο IBM στη Ζυρίχη ανέλαβαν μια άλλη τροποποίηση του AFM χωρίς επαφή: ο ρόλος ενός αισθητήρα δεν έπαιξε ένας αιχμηρός κρύσταλλος διαμαντιού, αλλά από ένα μόνο μόριο - το μονοξείδιο του άνθρακα. Αυτό κατέστησε δυνατή τη μετάβαση σε υποατομική ανάλυση, όπως έδειξε ο Leo Gross από το τμήμα της Ζυρίχης της IBM. Το 2009, χρησιμοποιώντας AFM, έκανε ορατά όχι άτομα, αλλά χημικούς δεσμούς, λαμβάνοντας μια αρκετά σαφή και αναμφισβήτητα αναγνώσιμη «εικόνα» για το μόριο του πεντακενίου (Εικ. 3; Επιστήμη, 2009, 325, 5944, 1110–1114, doi: 10.1126/science.1176210).

Πεπεισμένος ότι οι χημικοί δεσμοί μπορούσαν να φανούν χρησιμοποιώντας AFM, ο Leo Gross αποφάσισε να προχωρήσει περισσότερο και να χρησιμοποιήσει ένα μικροσκόπιο ατομικής δύναμης για να μετρήσει τα μήκη και τις τάξεις των δεσμών - βασικές παράμετροι για την κατανόηση χημική δομή, και κατά συνέπεια, τις ιδιότητες των ουσιών.

Θυμηθείτε ότι η διαφορά στη σειρά των συνδέσεων δείχνει διαφορετικές έννοιεςπυκνότητα ηλεκτρονίων και διαφορετικές διατομικές αποστάσεις μεταξύ δύο ατόμων (με απλά λόγια, ένας διπλός δεσμός είναι μικρότερος από έναν απλό δεσμό). Στο αιθάνιο η τάξη δεσμού άνθρακα-άνθρακα είναι ένα, στο αιθυλένιο είναι δύο, και στο κλασικό αρωματικό μόριο βενζόλιο η τάξη δεσμού άνθρακα-άνθρακα είναι μεγαλύτερη από ένα αλλά μικρότερη από δύο και θεωρείται ότι είναι 1,5.

Ο προσδιορισμός της σειράς δεσμών είναι πολύ πιο δύσκολος όταν μεταβαίνουμε από απλά αρωματικά συστήματα σε επίπεδα ή χύμα πολυσυμπυκνωμένα κυκλικά συστήματα. Έτσι, η σειρά των δεσμών στα φουλερένια, που αποτελούνται από συμπυκνωμένους πενταμελείς και εξαμελείς δακτυλίους άνθρακα, μπορεί να πάρει οποιαδήποτε τιμή από ένα έως δύο. Η ίδια αβεβαιότητα είναι θεωρητικά εγγενής στις πολυκυκλικές αρωματικές ενώσεις.

Το 2012, ο Leo Gross, μαζί με τον Fabian Mohn, έδειξε ότι ένα μικροσκόπιο ατομικής δύναμης με μεταλλικό ανιχνευτή άνευ επαφής τροποποιημένο με μονοξείδιο του άνθρακα μπορεί να μετρήσει διαφορές στην κατανομή φορτίου των ατόμων και στις διατομικές αποστάσεις - δηλαδή, παραμέτρους που σχετίζονται με τη σειρά δεσμών. Επιστήμη, 2012, 337, 6100, 1326–1329, doi: 10.1126/science.1225621).

Για να γίνει αυτό, μελέτησαν δύο τύπους χημικών δεσμών στο φουλερένιο - έναν δεσμό άνθρακα-άνθρακα, κοινό στους δύο εξαμελείς δακτυλίους που περιέχουν άνθρακα του φουλερενίου C60 και έναν δεσμό άνθρακα-άνθρακα, κοινό στους πέντε και έξι -μέλη δαχτυλίδια. Ένα μικροσκόπιο ατομικής δύναμης έδειξε ότι η συμπύκνωση εξαμελών δακτυλίων παράγει έναν δεσμό που είναι βραχύτερος και μεγαλύτερης τάξης από τη συμπύκνωση των κυκλικών θραυσμάτων C 6 και C 5 . Η μελέτη των χαρακτηριστικών του χημικού δεσμού στο εξαβενζοκορωνένιο, όπου έξι ακόμη δακτύλιοι C 6 βρίσκονται συμμετρικά γύρω από τον κεντρικό δακτύλιο C 6, επιβεβαίωσε τα αποτελέσματα της κβαντικής χημικής μοντελοποίησης, σύμφωνα με τα οποία η σειρά Συνδέσεις C-Cκεντρικός δακτύλιος (στο Σχ. 4 το γράμμα Εγώ) πρέπει να είναι μεγαλύτεροι από τους δεσμούς που συνδέουν αυτόν τον δακτύλιο με περιφερειακούς κύκλους (στο Σχ. 4 το γράμμα ι). Παρόμοια αποτελέσματα ελήφθησαν για έναν πιο πολύπλοκο πολυκυκλικό αρωματικό υδρογονάνθρακα που περιέχει εννέα εξαμελείς δακτυλίους.

Οι παραγγελίες δεσμών και οι διατομικές αποστάσεις, φυσικά, ενδιέφεραν τους οργανικούς χημικούς, αλλά ήταν πιο σημαντικό για εκείνους που εργάζονταν στη θεωρία των χημικών δεσμών, η πρόβλεψη αντιδραστικότητακαι μελέτη των μηχανισμών των χημικών αντιδράσεων. Ωστόσο, τόσο οι συνθετικοί χημικοί όσο και οι ειδικοί στη μελέτη της δομής των φυσικών ενώσεων αντιμετώπισαν έκπληξη: αποδείχθηκε ότι το μικροσκόπιο ατομικής δύναμης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό της δομής των μορίων με τον ίδιο τρόπο όπως η φασματοσκοπία NMR ή IR. Επιπλέον, παρέχει μια σαφή απάντηση σε ερωτήματα που αυτές οι μέθοδοι δεν μπορούν να χειριστούν.

Από τη φωτογραφία στον κινηματογράφο

Το 2010, οι ίδιοι Leo Gross και Rainer Ebel μπόρεσαν να δημιουργήσουν αναμφισβήτητα τη δομή μιας φυσικής ένωσης - της κεφαλαντόλης Α, που απομονώθηκε από ένα βακτήριο Dermacoccus abyssi(Χημεία της Φύσης, 2010, 2, 821–825, doi: 10.1038/nchem.765). Η σύνθεση της κεφαλαντόλης Α καθορίστηκε προηγουμένως χρησιμοποιώντας φασματομετρία μάζας, αλλά η ανάλυση των φασμάτων NMR αυτής της ένωσης δεν έδωσε μια σαφή απάντηση στο ερώτημα της δομής της: τέσσερις επιλογές ήταν δυνατές. Χρησιμοποιώντας ένα μικροσκόπιο ατομικής δύναμης, οι ερευνητές εξάλειψαν αμέσως δύο από τις τέσσερις δομές και από τις υπόλοιπες δύο σωστή επιλογήέγινε με σύγκριση των αποτελεσμάτων που προέκυψαν χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις AFM και κβαντικών χημικών. Το έργο αποδείχθηκε δύσκολο: σε αντίθεση με το πεντακένιο, το φουλερένιο και τα κορονένια, η κεφαλαντόλη Α περιέχει όχι μόνο άτομα άνθρακα και υδρογόνου, επιπλέον, αυτό το μόριο δεν έχει επίπεδο συμμετρίας (Εικ. 5) - αλλά αυτό το πρόβλημα λύθηκε επίσης.

Μια άλλη επιβεβαίωση ότι το μικροσκόπιο ατομικής δύναμης μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως αναλυτικό εργαλείο ελήφθη στην ομάδα του Oscar Kustanza, ο οποίος εκείνη την εποχή εργαζόταν στο σχολή μηχανικώνΠανεπιστήμιο της Οσάκα. Έδειξε πώς να χρησιμοποιείτε το AFM για να διακρίνετε άτομα που διαφέρουν μεταξύ τους πολύ λιγότερο από τον άνθρακα και το υδρογόνο ( Φύση, 2007, 446, 64–67, doi: 10.1038/nature05530). Ο Kustants εξέτασε την επιφάνεια ενός κράματος που αποτελείται από πυρίτιο, κασσίτερο και μόλυβδο με γνωστή περιεκτικότητα σε κάθε στοιχείο. Ως αποτέλεσμα πολλών πειραμάτων, ανακάλυψε ότι η δύναμη που προκύπτει μεταξύ της άκρης του καθετήρα AFM και διαφορετικά άτομα, ποικίλλει (Εικ. 6). Για παράδειγμα, η ισχυρότερη αλληλεπίδραση παρατηρήθηκε κατά την ανίχνευση πυριτίου και η πιο αδύναμη αλληλεπίδραση παρατηρήθηκε κατά την ανίχνευση μολύβδου.

Υποτίθεται ότι στο μέλλον, τα αποτελέσματα της μικροσκοπίας ατομικής δύναμης για την αναγνώριση μεμονωμένων ατόμων θα υποβάλλονται σε επεξεργασία με τον ίδιο τρόπο όπως τα αποτελέσματα NMR - συγκρίνοντας τις σχετικές τιμές. Επειδή η ακριβής σύνθεση της βελόνας του αισθητήρα είναι δύσκολο να ελεγχθεί, η απόλυτη τιμή της δύναμης μεταξύ του αισθητήρα και διαφορετικά άτομαεπιφάνεια εξαρτάται από τις πειραματικές συνθήκες και τη μάρκα της συσκευής, αλλά η αναλογία αυτών των δυνάμεων για οποιαδήποτε σύνθεση και σχήμα του αισθητήρα παραμένει σταθερή για κάθε χημικό στοιχείο.

Το 2013, εμφανίστηκαν τα πρώτα παραδείγματα χρήσης AFM για τη λήψη εικόνων μεμονωμένων μορίων πριν και μετά τις χημικές αντιδράσεις: δημιουργείται μια «φωτογραφία» από τα προϊόντα και τα ενδιάμεσα της αντίδρασης, τα οποία μπορούν στη συνέχεια να τοποθετηθούν σε ένα είδος ντοκυμαντέρ (Επιστήμη, 2013, 340, 6139, 1434–1437; doi: 10.1126/science.1238187).

Ο Felix Fischer και ο Michael Crommie από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ έβαλαν ασήμι στην επιφάνεια 1,2-δις[(2-αιθυνυλφαινυλ)αιθυνυλ]βενζόλιο, απεικόνισε τα μόρια και θέρμανε την επιφάνεια για να ξεκινήσει η κυκλοποίηση. Τα μισά από τα αρχικά μόρια μετατράπηκαν σε πολυκυκλικές αρωματικές δομές που αποτελούνταν από τηγμένους πέντε εξαμελείς και δύο πενταμελείς δακτυλίους. Ένα άλλο τέταρτο των μορίων σχημάτισε δομές αποτελούμενες από τέσσερις εξαμελείς δακτυλίους που συνδέονται μέσω ενός τετραμελούς δακτυλίου και δύο πενταμελών δακτυλίων (Εικ. 7). Τα υπόλοιπα προϊόντα ήταν ολιγομερείς δομές και, σε μικρές ποσότητες, πολυκυκλικά ισομερή.

Αυτά τα αποτελέσματα εξέπληξαν τους ερευνητές δύο φορές. Πρώτον, μόνο δύο κύρια προϊόντα σχηματίστηκαν κατά τη διάρκεια της αντίδρασης. Δεύτερον, η δομή τους ήταν εκπληκτική. Ο Fischer σημειώνει ότι η χημική διαίσθηση και η εμπειρία κατέστησαν δυνατή την κατάρτιση δεκάδων πιθανά προϊόντααντιδράσεις, αλλά καμία από αυτές δεν αντιστοιχούσε στις ενώσεις που σχηματίστηκαν στην επιφάνεια. Είναι πιθανό ότι η εμφάνιση άτυπων χημικών διεργασιών διευκολύνθηκε από την αλληλεπίδραση των αρχικών ουσιών με το υπόστρωμα.

Φυσικά, μετά τις πρώτες σοβαρές επιτυχίες στη μελέτη των χημικών δεσμών, ορισμένοι ερευνητές αποφάσισαν να χρησιμοποιήσουν το AFM για να παρατηρήσουν ασθενέστερες και λιγότερο μελετημένες διαμοριακές αλληλεπιδράσεις, ιδίως δεσμούς υδρογόνου. Ωστόσο, οι εργασίες σε αυτόν τον τομέα μόλις ξεκινούν και τα αποτελέσματα είναι αντιφατικά. Έτσι, ορισμένες δημοσιεύσεις αναφέρουν ότι η μικροσκοπία ατομικής δύναμης κατέστησε δυνατή την παρατήρηση δεσμών υδρογόνου ( Επιστήμη, 2013, 342, 6158, 611–614, doi: 10.1126/science.1242603), άλλοι ισχυρίζονται ότι πρόκειται απλώς για τεχνουργήματα λόγω των σχεδιαστικών χαρακτηριστικών της συσκευής και πειραματικά αποτελέσματαπρέπει να ερμηνευθεί πιο προσεκτικά ( Επιστολές Φυσικής Ανασκόπησης, 2014, 113, 186102, doi: 10.1103/PhysRevLett.113.186102). Ίσως η τελική απάντηση στο ερώτημα εάν το υδρογόνο και άλλες διαμοριακές αλληλεπιδράσεις μπορούν να παρατηρηθούν χρησιμοποιώντας μικροσκοπία ατομικής δύναμης θα ληφθεί ήδη αυτή τη δεκαετία. Για να γίνει αυτό, είναι απαραίτητο να αυξήσετε την ανάλυση AFM τουλάχιστον αρκετές φορές περισσότερο και να μάθετε να λαμβάνετε εικόνες χωρίς παρεμβολές ( Φυσική Ανασκόπηση Β, 2014, 90, 085421, doi: 10.1103/PhysRevB.90.085421).

Μονομοριακή σύνθεση

ΣΕ σε ικανά χέριαΤόσο το STM όσο και το AFM μετατρέπονται από συσκευές ικανές να μελετούν την ύλη σε συσκευές ικανές να αλλάζουν σκόπιμα τη δομή της ύλης. Με τη βοήθεια αυτών των συσκευών έχει ήδη καταστεί δυνατή η απόκτηση του «μικρότερου χημικά εργαστήρια», στο οποίο χρησιμοποιείται ένα υπόστρωμα αντί για φιάλη και μεμονωμένα μόρια χρησιμοποιούνται αντί για mol ή millimoles αντιδρώντων.

Για παράδειγμα, το 2016 διεθνής όμιλοςΟι επιστήμονες με επικεφαλής τον Takashi Kumagai χρησιμοποίησαν μικροσκόπιο ατομικής δύναμης χωρίς επαφή για να μετατρέψουν το μόριο του πορφυκενίου από τη μια μορφή στην άλλη ( Χημεία της Φύσης, 2016, 8, 935–940, doi: 10.1038/nchem.2552). Το πορφυκένιο μπορεί να θεωρηθεί τροποποίηση της πορφυρίνης, ο εσωτερικός δακτύλιος της οποίας περιέχει τέσσερα άτομα αζώτου και δύο άτομα υδρογόνου. Οι δονήσεις του ανιχνευτή AFM μετέφεραν αρκετή ενέργεια στο μόριο του πορφυκενίου για να μεταφέρουν αυτά τα υδρογόνα από το ένα άτομο αζώτου στο άλλο, και το αποτέλεσμα ήταν μια «κατοπτρική εικόνα» αυτού του μορίου (Εικ. 8).

Η ομάδα με επικεφαλής τον ακούραστο Leo Gross έδειξε επίσης ότι ήταν δυνατό να ξεκινήσει η αντίδραση ενός μόνο μορίου - μετέτρεψαν το διβρωμομανθρακένιο σε ένα δεκαμελές κυκλικό διΐνο (Εικ. 9; Χημεία της Φύσης, 2015, 7, 623–628, doi: 10.1038/nchem.2300). Σε αντίθεση με τους Kumagai et al., χρησιμοποίησαν ένα μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας για να ενεργοποιήσουν το μόριο και το αποτέλεσμα της αντίδρασης παρακολουθήθηκε χρησιμοποιώντας μικροσκόπιο ατομικής δύναμης.

Η συνδυασμένη χρήση ενός μικροσκοπίου σάρωσης σήραγγας και ενός μικροσκοπίου ατομικής δύναμης κατέστησε δυνατή ακόμη και τη λήψη ενός μορίου που δεν μπορεί να συντεθεί χρησιμοποιώντας κλασικές τεχνικές και μεθόδους ( Νανοτεχνολογία Φύσης, 2017, 12, 308–311, doi: 10.1038/nnano.2016.305). Αυτό είναι το τριγωνένιο, μια ασταθής αρωματική ρίζα της οποίας η ύπαρξη είχε προβλεφθεί πριν από έξι δεκαετίες, αλλά όλες οι προσπάθειες σύνθεσης απέτυχαν (Εικ. 10). Χημικοί από την ομάδα του Niko Pavlicek έλαβαν την επιθυμητή ένωση αφαιρώντας δύο άτομα υδρογόνου από τον πρόδρομό της χρησιμοποιώντας STM και επιβεβαιώνοντας το συνθετικό αποτέλεσμα χρησιμοποιώντας AFM.

Υποτίθεται ότι ο αριθμός των εργασιών που αφιερώνονται στη χρήση μικροσκοπίου ατομικής δύναμης σε οργανική χημεία, θα μεγαλώσει ακόμα. Επί του παρόντος, όλο και περισσότεροι επιστήμονες προσπαθούν να αναπαράγουν στην επιφάνεια αντιδράσεις που είναι ευρέως γνωστές στη «χημεία των διαλυμάτων». Ίσως όμως οι συνθετικοί χημικοί να αρχίσουν να αναπαράγουν σε διάλυμα τις αντιδράσεις που πραγματοποιήθηκαν αρχικά στην επιφάνεια χρησιμοποιώντας AFM.

Από το μη ζωντανό στο ζωντανό

Οι πρόβολοι και οι ανιχνευτές των μικροσκοπίων ατομικής δύναμης μπορούν να χρησιμοποιηθούν όχι μόνο για αναλυτικές μελέτες ή τη σύνθεση εξωτικών μορίων, αλλά και για επίλυση εφαρμοσμένα προβλήματα. Υπάρχουν ήδη γνωστές περιπτώσεις χρήσης AFM στην ιατρική, για παράδειγμα, για την έγκαιρη διάγνωση του καρκίνου, και εδώ ο πρωτοπόρος είναι ο ίδιος ο Christopher Gerber, ο οποίος συνέβαλε στην ανάπτυξη της αρχής της μικροσκοπίας ατομικής δύναμης και στη δημιουργία του AFM.

Έτσι, ο Gerber κατάφερε να διδάξει στο AFM να ​​ανιχνεύει σημειακή μετάλλαξη ριβονουκλεϊκό οξύγια μελάνωμα (σε υλικό που ελήφθη ως αποτέλεσμα βιοψίας). Για να γίνει αυτό, ο χρυσός πρόβολος ενός μικροσκοπίου ατομικής δύναμης τροποποιήθηκε με ολιγονουκλεοτίδια που μπορούν να εισέλθουν σε διαμοριακή αλληλεπίδραση με το RNA και η ισχύς αυτής της αλληλεπίδρασης μπορεί επίσης να μετρηθεί λόγω του πιεζοηλεκτρικού φαινομένου. Η ευαισθησία του αισθητήρα AFM είναι τόσο υψηλή που προσπαθούν ήδη να τον χρησιμοποιήσουν για να μελετήσουν την αποτελεσματικότητα της δημοφιλούς μεθόδου επεξεργασίας γονιδιώματος CRISPR-Cas9. Οι τεχνολογίες που δημιουργούνται από διαφορετικές γενιές ερευνητών ενώνονται εδώ.

Για να παραφράσουμε ένα κλασικό μιας από τις πολιτικές θεωρίες, μπορούμε να πούμε ότι ήδη βλέπουμε τις απεριόριστες δυνατότητες και το ανεξάντλητο της μικροσκοπίας ατομικής δύναμης και δύσκολα μπορούμε να φανταστούμε τι θα ακολουθήσει σε σχέση με την περαιτέρω ανάπτυξη αυτών των τεχνολογιών. Αλλά σήμερα, τα μικροσκόπια σάρωσης σήραγγας και τα μικροσκόπια ατομικής δύναμης μας δίνουν την ευκαιρία να δούμε και να αγγίξουμε άτομα. Μπορούμε να πούμε ότι αυτό δεν είναι μόνο μια επέκταση των ματιών μας, που μας επιτρέπει να κοιτάξουμε τον μικρόκοσμο των ατόμων και των μορίων, αλλά και νέα μάτια, νέα δάχτυλα, ικανά να αγγίξουν και να ελέγξουν αυτόν τον μικρόκοσμο.

Ωστόσο, η φωτογράφιση του ίδιου του ατόμου, και όχι οποιουδήποτε μέρους του, φαινόταν να είναι μια εξαιρετικά δύσκολη εργασία ακόμα και όταν χρησιμοποιούνται οι πιο υψηλής τεχνολογίας συσκευές.

Το γεγονός είναι ότι σύμφωνα με τους νόμους της κβαντικής μηχανικής, είναι αδύνατο να προσδιοριστούν εξίσου με ακρίβεια όλες οι ιδιότητες ενός υποατομικού σωματιδίου. Αυτός ο κλάδος της θεωρητικής φυσικής βασίζεται στην αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg, η οποία δηλώνει ότι είναι αδύνατο να μετρηθούν οι συντεταγμένες και η ορμή ενός σωματιδίου με την ίδια ακρίβεια - ακριβείς μετρήσεις μιας ιδιότητας σίγουρα θα αλλάξουν τα δεδομένα για την άλλη.

Επομένως, αντί να προσδιορίσετε τη θέση (συντεταγμένες σωματιδίων), κβαντική θεωρίαπροτείνει τη μέτρηση της λεγόμενης κυματικής συνάρτησης.

Η συνάρτηση κύματος λειτουργεί σχεδόν με τον ίδιο τρόπο όπως ένα ηχητικό κύμα. Η μόνη διαφορά είναι ότι η μαθηματική περιγραφή ενός ηχητικού κύματος καθορίζει την κίνηση των μορίων στον αέρα σε ένα συγκεκριμένο μέρος και η κυματική συνάρτηση περιγράφει την πιθανότητα εμφάνισης ενός σωματιδίου σε ένα συγκεκριμένο μέρος σύμφωνα με την εξίσωση Schrödinger.

Η μέτρηση της κυματικής συνάρτησης είναι επίσης δύσκολη (οι άμεσες παρατηρήσεις οδηγούν στην κατάρρευσή της), αλλά οι θεωρητικοί φυσικοί μπορούν να προβλέψουν χονδρικά τις τιμές της.

Είναι δυνατή η πειραματική μέτρηση όλων των παραμέτρων της κυματικής συνάρτησης μόνο εάν συλλέγεται από ξεχωριστές καταστροφικές μετρήσεις που πραγματοποιούνται σε εντελώς πανομοιότυπα συστήματα ατόμων ή μορίων.

Παρουσίασαν φυσικοί από το ολλανδικό ερευνητικό ινστιτούτο AMOLF νέα μέθοδος, που δεν απαιτεί καμία «αναδιάρθρωση», και δημοσίευσαν τα αποτελέσματα της δουλειάς τους στο περιοδικό Physical Review Letters. Η τεχνική τους βασίζεται στην υπόθεση του 1981 τριων χρονωνΣοβιετικοί θεωρητικοί φυσικοί, καθώς και σε μεταγενέστερη έρευνα.

Κατά τη διάρκεια του πειράματος, μια ομάδα επιστημόνων κατεύθυνε δύο ακτίνες λέιζερ σε άτομα υδρογόνου τοποθετημένα σε ειδικό θάλαμο. Ως αποτέλεσμα αυτής της πρόσκρουσης, τα ηλεκτρόνια άφησαν τις τροχιές τους με την ταχύτητα και την κατεύθυνση που καθορίζονται από τις κυματικές τους συναρτήσεις. Το ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο στον θάλαμο που περιέχει τα άτομα υδρογόνου κατεύθυνε τα ηλεκτρόνια σε συγκεκριμένα μέρη του επίπεδου (επίπεδου) ανιχνευτή.

Η θέση των ηλεκτρονίων που χτυπούσαν τον ανιχνευτή προσδιορίστηκε από την αρχική τους ταχύτητα, όχι από τη θέση τους στον θάλαμο. Έτσι, η κατανομή των ηλεκτρονίων στον ανιχνευτή ενημέρωσε τους επιστήμονες για την κυματική λειτουργία αυτών των σωματιδίων που είχαν όταν έφυγαν από την τροχιά τους γύρω από τον πυρήνα ενός ατόμου υδρογόνου.

Οι κινήσεις των ηλεκτρονίων εμφανίζονταν σε μια φωσφορίζουσα οθόνη με τη μορφή σκοτεινών και φωτεινών δακτυλίων, τους οποίους οι επιστήμονες φωτογράφισαν με ψηφιακή κάμερα υψηλής ανάλυσης.

«Είμαστε πολύ ευχαριστημένοι με τα αποτελέσματά μας. Η κβαντομηχανική έχει τόσο μικρή σχέση καθημερινή ζωήανθρώπους, ότι σχεδόν κανείς δεν θα μπορούσε να σκεφτεί να πάρει μια πραγματική φωτογραφία των κβαντικών αλληλεπιδράσεων σε ένα άτομο», λέει η επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης Aneta Stodolna. Υποστηρίζει επίσης ότι η τεχνική που αναπτύχθηκε μπορεί να έχει πρακτική χρήση, για παράδειγμα, για τη δημιουργία αγωγών πάχους ατόμου, αναπτύσσοντας τεχνολογία μοριακού σύρματος, η οποία θα βελτιώσει σημαντικά τις σύγχρονες ηλεκτρονικές συσκευές.

"Είναι αξιοσημείωτο ότι το πείραμα διεξήχθη ειδικά στο υδρογόνο - την πιο απλή και κοινή ουσία στο Σύμπαν μας. Θα πρέπει να καταλάβουμε εάν αυτή η τεχνική μπορεί να εφαρμοστεί σε πιο πολύπλοκα άτομα. Εάν ναι, τότε αυτό είναι μια μεγάλη ανακάλυψη που θα μας επιτρέψει να αναπτύξουμε όχι μόνο την ηλεκτρονική, αλλά και τη νανοτεχνολογία», λέει ο Jeff Lundeen από το Πανεπιστήμιο της Οτάβα, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη.

Ωστόσο, οι ίδιοι οι επιστήμονες που πραγματοποίησαν το πείραμα δεν σκέφτονται την πρακτική πλευρά του ζητήματος. Πιστεύουν ότι η ανακάλυψή τους σχετίζεται κυρίως με τη θεμελιώδη επιστήμη, η οποία θα βοηθήσει στη μετάδοση περισσότερης γνώσης στις μελλοντικές γενιές φυσικών.

Το PostScience καταρρίπτει τους επιστημονικούς μύθους και εξηγεί κοινές παρανοήσεις. Ζητήσαμε από τους ειδικούς μας να σχολιάσουν δημοφιλείς ιδέες σχετικά με τη δομή και τις ιδιότητες των ατόμων.

Το μοντέλο του Rutherford αντιστοιχεί στις σύγχρονες ιδέες για τη δομή του ατόμου

Αυτό είναι αλήθεια, αλλά εν μέρει.Το πλανητικό μοντέλο του ατόμου, στο οποίο τα ελαφρά ηλεκτρόνια περιφέρονται γύρω από έναν βαρύ πυρήνα, όπως οι πλανήτες γύρω από τον Ήλιο, προτάθηκε από τον Έρνεστ Ράδερφορντ το 1911, αφού ο ίδιος ο πυρήνας ανακαλύφθηκε στο εργαστήριό του. Βομβαρδίζοντας ένα φύλλο μεταλλικού φύλλου με σωματίδια άλφα, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι η συντριπτική πλειονότητα των σωματιδίων περνούσε μέσα από το φύλλο, όπως το φως μέσα από το γυαλί. Ωστόσο, ένα μικρό κλάσμα από αυτά - περίπου ένας στους 8.000 - αντανακλάται πίσω στην πηγή. Ο Ράδερφορντ εξήγησε αυτά τα αποτελέσματα από το γεγονός ότι η μάζα δεν κατανέμεται ομοιόμορφα στην ύλη, αλλά συγκεντρώνεται σε «συστάδες» - ατομικούς πυρήνες που φέρουν θετικό φορτίο που απωθεί θετικά φορτισμένα σωματίδια άλφα. Τα ελαφριά, αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια αποφεύγουν να «πέσουν» στον πυρήνα περιστρέφοντας γύρω τους, έτσι ώστε η φυγόκεντρος δύναμη να εξισορροπεί την ηλεκτροστατική έλξη.

Λέγεται ότι αφού επινόησε αυτό το μοντέλο, ο Ράδερφορντ αναφώνησε: «Τώρα ξέρω πώς μοιάζει ένα άτομο!» Ωστόσο, σύντομα, μετά από έμπνευση, ο Ράδερφορντ συνειδητοποίησε την εσφαλμένη φύση της ιδέας του. Περιστρέφοντας γύρω από τον πυρήνα, το ηλεκτρόνιο δημιουργεί ηλεκτρικό και μαγνητικό πεδίο. Αυτά τα πεδία διαδίδονται με την ταχύτητα του φωτός στη μορφή ηλεκτρομαγνητικό κύμα. Και ένα τέτοιο κύμα κουβαλάει μαζί του ενέργεια! Αποδεικνύεται ότι, περιστρέφοντας γύρω από τον πυρήνα, το ηλεκτρόνιο θα χάνει συνεχώς ενέργεια και θα πέφτει στον πυρήνα μέσα σε δισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου. (Θα μπορούσε κανείς να αναρωτηθεί αν το ίδιο επιχείρημα θα μπορούσε να εφαρμοστεί και στους πλανήτες ηλιακό σύστημα: Γιατί δεν πέφτουν στον Ήλιο; Απάντηση: τα βαρυτικά κύματα, αν υπάρχουν καθόλου, είναι πολύ πιο αδύναμα από τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα και η ενέργεια που αποθηκεύεται στους πλανήτες είναι πολύ μεγαλύτερη από ό,τι στα ηλεκτρόνια, επομένως το «απόθεμα ισχύος» των πλανητών είναι πολλές τάξεις μεγέθους μεγαλύτερο.)

Ο Ράδερφορντ ανέθεσε στον συνεργάτη του, τον νεαρό θεωρητικό Νιλς Μπορ, το καθήκον να λύσει την αντίφαση. Αφού εργάστηκε για δύο χρόνια, ο Bohr βρήκε μια μερική λύση. Υπέθεσε ότι μεταξύ όλων των πιθανών τροχιών ενός ηλεκτρονίου, υπάρχουν εκείνες στις οποίες το ηλεκτρόνιο μπορεί να παραμείνει για μεγάλο χρονικό διάστημα χωρίς να εκπέμπει. Ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να μετακινηθεί από μια σταθερή τροχιά σε μια άλλη, ενώ απορροφά ή εκπέμπει ένα κβάντο ηλεκτρομαγνητικό πεδίομε ενέργεια ίση με την ενεργειακή διαφορά μεταξύ των δύο τροχιών. Χρησιμοποιώντας τις αρχικές αρχές της κβαντικής φυσικής, οι οποίες είχαν ήδη ανακαλυφθεί εκείνη την εποχή, ο Bohr ήταν σε θέση να υπολογίσει τις παραμέτρους των στατικών τροχιών και, κατά συνέπεια, τις ενέργειες των κβαντών ακτινοβολίας που αντιστοιχούν σε μεταβάσεις. Αυτές οι ενέργειες είχαν μέχρι τότε μετρηθεί χρησιμοποιώντας φασματοσκοπικές μεθόδους, και οι θεωρητικές προβλέψεις του Bohr συνέπεσαν σχεδόν τέλεια με τα αποτελέσματα αυτών των μετρήσεων!

Παρά αυτό το θριαμβευτικό αποτέλεσμα, η θεωρία του Bohr δύσκολα έφερε σαφήνεια στο ζήτημα της ατομικής φυσικής, επειδή ήταν ημι-εμπειρική: ενώ υποθέτοντας την παρουσία στατικών τροχιών, δεν τις εξήγησε με κανέναν τρόπο φυσική φύση. Μια διεξοδική διευκρίνιση του ζητήματος απαιτούσε τουλάχιστον άλλες δύο δεκαετίες, κατά τις οποίες η κβαντική μηχανική αναπτύχθηκε ως συστηματική, ολοκληρωμένη φυσική θεωρία.

Στο πλαίσιο αυτής της θεωρίας, το ηλεκτρόνιο υπόκειται στην αρχή της αβεβαιότητας και δεν περιγράφεται υλικό σημείο, σαν πλανήτης, αλλά μια κυματική συνάρτηση «αλείφεται» σε ολόκληρη την τροχιά. Σε κάθε χρονική στιγμή βρίσκεται σε μια υπέρθεση καταστάσεων που αντιστοιχούν σε όλα τα σημεία της τροχιάς. Δεδομένου ότι η πυκνότητα κατανομής μάζας στο χώρο, που καθορίζεται από την κυματική συνάρτηση, δεν εξαρτάται από το χρόνο, δεν δημιουργείται ένα εναλλασσόμενο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο γύρω από το ηλεκτρόνιο. δεν υπάρχει απώλεια ενέργειας.

Έτσι, το πλανητικό μοντέλο δίνει μια αληθινή οπτική αναπαράσταση του πώς μοιάζει ένα άτομο - ο Rutherford είχε δίκιο στο θαυμαστικό του. Ωστόσο, δεν εξηγεί πώς λειτουργεί το άτομο: η δομή είναι πολύ πιο περίπλοκη και βαθύτερη από αυτό που μοντελοποίησε ο Rutherford.

Συμπερασματικά, σημειώνω ότι ο «μύθος» του πλανητικού μοντέλου βρίσκεται στο επίκεντρο του πνευματικού δράματος που οδήγησε σε μια καμπή στη φυσική πριν από εκατό χρόνια και διαμόρφωσε σε μεγάλο βαθμό αυτή την επιστήμη. σύγχρονη μορφή.

Αλεξάντερ Λβόφσκι

Διδάκτωρ Φυσικής, καθηγητής στη Σχολή Φυσικής του Πανεπιστημίου του Κάλγκαρι, επικεφαλής της επιστημονικής ομάδας, μέλος του επιστημονικού συμβουλίου του Russian Quantum Centre, εκδότης του επιστημονικού περιοδικού Optics Express

Μεμονωμένα άτομα μπορούν να ελεγχθούν

Αυτό είναι αλήθεια.Φυσικά και μπορείς, γιατί όχι; Μπορείτε να ελέγξετε διαφορετικές παραμέτρους ενός ατόμου και ένα άτομο έχει πολλές από αυτές: έχει μια θέση στο χώρο, την ταχύτητα και υπάρχουν επίσης εσωτερικοί βαθμοί ελευθερίας. Οι εσωτερικοί βαθμοί ελευθερίας καθορίζουν το μαγνητικό και ηλεκτρικές ιδιότητεςάτομο, καθώς και την ετοιμότητα να εκπέμπει φως ή ραδιοκύματα. Ανάλογα με την εσωτερική κατάσταση του ατόμου, μπορεί να είναι περισσότερο ή λιγότερο ενεργό σε συγκρούσεις και χημικές αντιδράσεις, αλλάζει τις ιδιότητες των γύρω ατόμων, την απόκρισή του σε εξωτερικά περιθώρια. Στην ιατρική, για παράδειγμα, χρησιμοποιούν τα λεγόμενα πολωμένα αέρια για την κατασκευή τομογραφημάτων των πνευμόνων - σε τέτοια αέρια όλα τα άτομα βρίσκονται στην ίδια εσωτερική κατάσταση, γεγονός που καθιστά δυνατό να «δούμε» τον όγκο που γεμίζουν με την απόκρισή τους.

Δεν είναι τόσο δύσκολο να ελέγξεις την ταχύτητα ενός ατόμου ή τη θέση του· είναι πολύ πιο δύσκολο να επιλέξεις ακριβώς ένα άτομο για έλεγχο. Αλλά μπορεί να γίνει και αυτό. Μία από τις προσεγγίσεις αυτού του διαχωρισμού ατόμων πραγματοποιείται με χρήση ψύξης με λέιζερ. Για έλεγχο, είναι πάντα βολικό να έχουμε μια γνωστή αρχική θέση· είναι πολύ καλό αν το άτομο δεν κινείται ακόμη. Η ψύξη με λέιζερ σας επιτρέπει να επιτύχετε και τα δύο, να εντοπίσετε τα άτομα στο διάστημα και να τα ψύξετε, δηλαδή να μειώσετε την ταχύτητά τους σχεδόν στο μηδέν. Η αρχή της ψύξης με λέιζερ είναι η ίδια με αυτή ενός αεροσκάφους τζετ, μόνο που το τελευταίο εκπέμπει ένα ρεύμα αερίου για να επιταχύνει, και στην πρώτη περίπτωση, το άτομο, αντίθετα, απορροφά ένα ρεύμα φωτονίων (σωματίδια φωτός) και επιβραδύνει . Σύγχρονες μέθοδοιΗ ψύξη με λέιζερ μπορεί να ψύξει εκατομμύρια άτομα σε ταχύτητες περπατήματος και κάτω. Στη συνέχεια μπαίνουν στο παιχνίδι διάφοροι τύποι παθητικών παγίδων, για παράδειγμα μια δίπολη παγίδα. Εάν η ψύξη με λέιζερ χρησιμοποιεί ένα πεδίο φωτός που το άτομο απορροφά ενεργά, τότε για να το κρατήσει σε μια διπολική παγίδα, η συχνότητα του φωτός επιλέγεται μακριά από οποιαδήποτε απορρόφηση. Αποδεικνύεται ότι το εξαιρετικά εστιασμένο φως λέιζερ είναι σε θέση να πολώσει μικρά σωματίδια και κόκκους σκόνης και να τα σύρει στην περιοχή της μεγαλύτερης έντασης φωτός. Το άτομο δεν αποτελεί εξαίρεση και σύρεται επίσης στην περιοχή του ισχυρότερου πεδίου. Αποδεικνύεται ότι εάν εστιάσετε το φως όσο πιο σφιχτά γίνεται, τότε μόνο ένα ακριβώς άτομο μπορεί να κρατηθεί σε μια τέτοια παγίδα. Το γεγονός είναι ότι εάν ένα δεύτερο πέσει στην παγίδα, τότε αποδεικνύεται ότι πιέζεται τόσο σφιχτά στο πρώτο που σχηματίζουν ένα μόριο και ταυτόχρονα πέφτουν έξω από την παγίδα. Ωστόσο, μια τέτοια απότομη εστίαση δεν είναι ο μόνος τρόπος για να απομονώσετε ένα μόνο άτομο· μπορείτε επίσης να χρησιμοποιήσετε τις ιδιότητες της αλληλεπίδρασης ενός ατόμου με έναν συντονιστή για φορτισμένα άτομα, ιόντα, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε ηλεκτρικά πεδία για να συλλάβετε και να κρατήσετε ακριβώς ένα ιόν, και ούτω καθεξής. Είναι ακόμη δυνατό να διεγείρουμε ένα άτομο σε ένα αρκετά περιορισμένο σύνολο ατόμων σε μια πολύ διεγερμένη, τη λεγόμενη κατάσταση Rydberg. Ένα άτομο, μόλις διεγερθεί στην κατάσταση Rydberg, μπλοκάρει τη δυνατότητα διέγερσης των γειτόνων του στην ίδια κατάσταση και, εάν ο όγκος με τα άτομα είναι αρκετά μικρός, θα είναι το μόνο.

Με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, μόλις συλληφθεί ένα άτομο, μπορεί να ελεγχθεί. Η εσωτερική κατάσταση μπορεί να αλλάξει από τα πεδία φωτός και ραδιοσυχνοτήτων χρησιμοποιώντας τις επιθυμητές συχνότητες και την πόλωση του ηλεκτρομαγνητικού κύματος. Είναι δυνατό να μεταφερθεί ένα άτομο σε οποιαδήποτε προκαθορισμένη κατάσταση, είτε πρόκειται για συγκεκριμένη κατάσταση - επίπεδο ή υπέρθεση τους. Το μόνο ερώτημα είναι η διαθεσιμότητα των απαιτούμενων συχνοτήτων και η δυνατότητα παραγωγής επαρκώς σύντομων και ισχυρών παλμών ελέγχου. Πρόσφατα, κατέστη δυνατός ο αποτελεσματικότερος έλεγχος των ατόμων, διατηρώντας τα κοντά σε νανοδομές, γεγονός που επιτρέπει όχι μόνο να «μιλάτε» με το άτομο πιο αποτελεσματικά, αλλά και να χρησιμοποιείτε το ίδιο το άτομο - πιο συγκεκριμένα, εσωτερικές καταστάσεις- για τον έλεγχο της ροής του φωτός, και στο μέλλον, ίσως, για υπολογιστικούς σκοπούς.

Ο έλεγχος της θέσης ενός ατόμου που συγκρατείται από μια παγίδα είναι αρκετά στενότερος απλή εργασία- απλώς μετακινήστε την ίδια την παγίδα. Στην περίπτωση διπολικής παγίδας, μετακινήστε τη δέσμη φωτός, κάτι που μπορεί να γίνει, για παράδειγμα, με κινούμενους καθρέφτες για παράσταση λέιζερ. Στο άτομο μπορεί και πάλι να δοθεί ταχύτητα με αντιδραστικό τρόπο - μπορεί να γίνει ώστε να απορροφά το φως και το ιόν μπορεί εύκολα να επιταχυνθεί ηλεκτρικά πεδία, όπως ακριβώς γινόταν σε καθοδικούς σωλήνες. Έτσι σήμερα, καταρχήν, τα πάντα μπορούν να γίνουν με ένα άτομο, είναι απλώς θέμα χρόνου και προσπάθειας.

Αλεξέι Ακίμοφ

Το άτομο είναι αδιαίρετο

Εν μέρει αλήθεια, εν μέρει όχι.Η Wikipedia μας δίνει τον εξής ορισμό: «Ένα άτομο (από τα αρχαία ελληνικά ἄτομος - αδιαίρετο, άκοπο) είναι ένα σωματίδιο μιας ουσίας μικροσκοπικού μεγέθους και μάζας, το μικρότερο μέρος ενός χημικού στοιχείου, το οποίο είναι ο φορέας των ιδιοτήτων του. Ένα άτομο αποτελείται από έναν ατομικό πυρήνα και ηλεκτρόνια».

Στις μέρες μας, κάθε μορφωμένος άνθρωπος φαντάζεται το άτομο στο μοντέλο του Ράδερφορντ, που εν συντομία αντιπροσωπεύεται από την τελευταία πρόταση αυτού του γενικά αποδεκτού ορισμού. Φαίνεται ότι η απάντηση στο ερώτημα/μύθο που τίθεται είναι προφανής: ένα άτομο είναι ένα σύνθετο και σύνθετο αντικείμενο. Ωστόσο, η κατάσταση δεν είναι τόσο ξεκάθαρη. Οι αρχαίοι φιλόσοφοι μάλλον έθεσαν στον ορισμό ενός ατόμου την έννοια της ύπαρξης ενός στοιχειώδους και αδιαίρετου σωματιδίου ύλης και ήταν απίθανο να συνδέσουν το πρόβλημα με τη δομή των στοιχείων του περιοδικού πίνακα. Στο άτομο του Ράδερφορντ βρίσκουμε στην πραγματικότητα ένα τέτοιο σωματίδιο - είναι ένα ηλεκτρόνιο.

Ηλεκτρόνιο σύμφωνα με σύγχρονες ιδέες, προσαρμόζοντας στο λεγόμενο

«>Το τυπικό μοντέλο είναι ένα σημείο του οποίου η κατάσταση περιγράφεται από τη θέση και την ταχύτητα. Είναι σημαντικό ότι η ταυτόχρονη προδιαγραφή αυτών των κινηματικών χαρακτηριστικών είναι αδύνατη λόγω της αρχής της αβεβαιότητας του Heisenberg, αλλά λαμβάνοντας υπόψη μόνο ένα από αυτά, για παράδειγμα τη συντεταγμένη, μπορεί να προσδιοριστεί με αυθαίρετα υψηλή ακρίβεια.

Είναι τότε δυνατό, χρησιμοποιώντας σύγχρονη πειραματική τεχνολογία, να προσπαθήσουμε να εντοπίσουμε ένα ηλεκτρόνιο σε κλίμακα σημαντικά μικρότερη από το ατομικό μέγεθος (~0,5 * 10-8 cm) και να ελέγξουμε την ομοιότητα του με σημείο; Αποδεικνύεται ότι αν προσπαθήσετε να εντοπίσετε ένα ηλεκτρόνιο στην κλίμακα του λεγόμενου μήκους κύματος Compton - περίπου 137 φορές μικρότερο από το μέγεθος ενός ατόμου υδρογόνου - το ηλεκτρόνιο θα αλληλεπιδράσει με την αντιύλη του και το σύστημα θα γίνει ασταθές.

Αιχμηρότητα και αδιαίρετο του ηλεκτρονίου και άλλα στοιχειώδη σωματίδιαΗ ύλη είναι βασικό στοιχείο της αρχής της δράσης μικρής εμβέλειας στη θεωρία πεδίου και υπάρχει σε όλες τις θεμελιώδεις εξισώσεις που περιγράφουν τη φύση. Έτσι, οι αρχαίοι φιλόσοφοι δεν ήταν τόσο μακριά από την αλήθεια υποθέτοντας ότι υπάρχουν αδιαίρετα σωματίδια ύλης.

Ντμίτρι Κουπριάνοφ

Διδάκτωρ Φυσικομαθηματικών Επιστημών, Καθηγητής Φυσικής, Κρατικό Πολυτεχνείο της Αγίας Πετρούπολης, Προϊστάμενος. Τμήμα Θεωρητικής Φυσικής SPbSPU

Η επιστήμη δεν το γνωρίζει ακόμα αυτό.Το πλανητικό μοντέλο του ατόμου του Rutherford υπέθεσε ότι τα ηλεκτρόνια περιφέρονταν γύρω από τον ατομικό πυρήνα, όπως οι πλανήτες που περιφέρονται γύρω από τον ήλιο. Ταυτόχρονα, ήταν φυσικό να υποθέσουμε ότι τα ηλεκτρόνια είναι στερεά σφαιρικά σωματίδια. Το κλασικό μοντέλο του Ράδερφορντ ήταν εσωτερικά αντιφατικό. Τα σαφώς κινούμενα επιταχυνόμενα φορτισμένα σωματίδια (ηλεκτρόνια) θα έπρεπε να χάσουν ενέργεια λόγω ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολίακαι τελικά πέφτουν στους πυρήνες των ατόμων.

Ο Niels Bohr πρότεινε την απαγόρευση αυτής της διαδικασίας και την εισαγωγή ορισμένων απαιτήσεων για τις ακτίνες των τροχιών κατά μήκος των οποίων κινούνται τα ηλεκτρόνια. Το φαινομενολογικό μοντέλο του Bohr έδωσε τη θέση του στο κβαντικό μοντέλο του ατόμου, που αναπτύχθηκε από τον Heisenberg, και στο κβαντικό, αλλά πιο οπτικό, μοντέλο του ατόμου, που προτάθηκε από τον Schrödinger. Στο μοντέλο του Schrödinger, τα ηλεκτρόνια δεν είναι πλέον μπάλες που πετούν σε τροχιά, αλλά στάσιμα κύματαπου σαν σύννεφα κρέμονται από πάνω ατομικό πυρήνα. Το σχήμα αυτών των «νέφων» περιγράφηκε από την κυματική συνάρτηση που εισήγαγε ο Schrödinger.

Αμέσως προέκυψε το ερώτημα: ποια είναι η φυσική έννοια της κυματικής συνάρτησης; Η απάντηση προτάθηκε από τον Max Born: το τετράγωνο συντελεστή της κυματικής συνάρτησης είναι η πιθανότητα να βρεθεί ένα ηλεκτρόνιο σε ένα δεδομένο σημείο του χώρου. Και εδώ ξεκίνησαν τα δύσκολα. Προέκυψε το ερώτημα: τι σημαίνει να βρούμε ένα ηλεκτρόνιο σε ένα δεδομένο σημείο του χώρου; Δεν θα έπρεπε η δήλωση του Born να γίνει κατανοητή ως παραδοχή ότι ένα ηλεκτρόνιο είναι μια μικρή μπάλα που πετά κατά μήκος μιας συγκεκριμένης τροχιάς και η οποία μπορεί να πιαστεί σε ένα ορισμένο σημείο αυτής της τροχιάς με μια συγκεκριμένη πιθανότητα;

Αυτή ακριβώς είναι η άποψη που έχουν ο Σρέντινγκερ και ο Άλμπερτ Αϊνστάιν, που ενώθηκαν μαζί του σε αυτό το θέμα. Έγιναν αντιρρήσεις από τους φυσικούς της Σχολής της Κοπεγχάγης - Niels Bohr και Werner Heisenberg, οι οποίοι υποστήριξαν ότι μεταξύ των πράξεων μέτρησης το ηλεκτρόνιο απλά δεν υπάρχει, πράγμα που σημαίνει ότι δεν έχει νόημα να μιλάμε για την τροχιά της κίνησής του. Η συζήτηση μεταξύ του Μπορ και του Αϊνστάιν για την ερμηνεία της κβαντικής μηχανικής έμεινε στην ιστορία. Ο Μπορ φαινόταν να είναι ο νικητής: κατάφερε, αν και όχι πολύ ξεκάθαρα, να αντικρούσει όλα τα παράδοξα που διατύπωσε ο Αϊνστάιν, και μάλιστα διάσημο παράδοξο«Η γάτα του Σρέντινγκερ», που διατυπώθηκε από τον Σρόντιγκερ το 1935. Για αρκετές δεκαετίες, οι περισσότεροι φυσικοί συμφωνούσαν με τον Bohr ότι η ύλη δεν είναι μια αντικειμενική πραγματικότητα που μας δίνεται με αισθήσεις, όπως δίδαξε ο Καρλ Μαρξ, αλλά κάτι που προκύπτει μόνο τη στιγμή της παρατήρησης και δεν υπάρχει χωρίς παρατηρητή. Είναι ενδιαφέρον ότι σε Σοβιετική εποχήΤα τμήματα φιλοσοφίας στα πανεπιστήμια δίδαξαν ότι μια τέτοια άποψη είναι ο υποκειμενικός ιδεαλισμός, δηλαδή μια τάση που έρχεται σε αντίθεση με τον αντικειμενικό υλισμό - τη φιλοσοφία του Μαρξ, του Ένγκελς, του Λένιν και του Αϊνστάιν. Ταυτόχρονα, στα τμήματα φυσικής, οι μαθητές διδάσκονταν ότι οι έννοιες της Σχολής της Κοπεγχάγης ήταν οι μόνες σωστές (ίσως επειδή ο πιο διάσημος σοβιετικός θεωρητικός φυσικός, Λεβ Λαντάου, ανήκε σε αυτή τη σχολή).

Αυτή τη στιγμή οι απόψεις των φυσικών διίστανται. Από τη μία πλευρά, η ερμηνεία της κβαντικής μηχανικής της Κοπεγχάγης εξακολουθεί να είναι δημοφιλής. Προσπάθειες πειραματική επαλήθευσηΗ εγκυρότητα αυτής της ερμηνείας (για παράδειγμα, η επιτυχής επαλήθευση της λεγόμενης ανισότητας Bell από τον Γάλλο φυσικό Alain Aspe) χαίρει σχεδόν ομόφωνης έγκρισης από την επιστημονική κοινότητα. Από την άλλη πλευρά, οι θεωρητικοί αισθάνονται άνετα να συζητούν εναλλακτικές θεωρίες, όπως η θεωρία παράλληλους κόσμους. Επιστρέφοντας στο ηλεκτρόνιο, μπορούμε να πούμε ότι οι πιθανότητές του να παραμείνει μπάλα του μπιλιάρδου δεν είναι ακόμη πολύ υψηλές. Ταυτόχρονα, διαφέρουν από το μηδέν. Στη δεκαετία του 20 του 20ου αιώνα, ήταν το μοντέλο μπιλιάρδου της σκέδασης Compton που κατέστησε δυνατό να αποδειχθεί ότι το φως αποτελείται από κβάντα - φωτόνια. Σε πολλά προβλήματα που σχετίζονται με σημαντικές και χρήσιμες συσκευές (δίοδοι, τρανζίστορ), είναι βολικό να θεωρούμε ένα ηλεκτρόνιο ως μπάλα του μπιλιάρδου. Κυματική φύσηΤο ηλεκτρόνιο είναι σημαντικό για την περιγραφή πιο λεπτών επιδράσεων, όπως η αρνητική μαγνητοαντίσταση των μετάλλων.

Το φιλοσοφικό ερώτημα του εάν υπάρχει ένα σφαιρικό ηλεκτρόνιο μεταξύ των πράξεων μέτρησης δεν έχει καμία σχέση με τη συνηθισμένη ζωή. μεγάλης σημασίας. Ωστόσο, αυτό το ζήτημα εξακολουθεί να είναι ένα από τα πιο σοβαρά προβλήματα σύγχρονη φυσική.

Αλεξέι Καβόκιν

Υποψήφιος Φυσικομαθηματικών Επιστημών, Καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Σαουθάμπτον, Επικεφαλής της Ομάδας Quantum Polaritonics του Ρωσικού Κβαντικού Κέντρου, Επιστημονικός Διευθυντής του Μεσογειακού Ινστιτούτου Θεμελιωδών Φυσικών (Ιταλία)

Ένα άτομο μπορεί να καταστραφεί εντελώς

Αυτό είναι αλήθεια.Το σπάσιμο δεν είναι χτίσιμο. Μπορείτε να καταστρέψετε οτιδήποτε, συμπεριλαμβανομένου ενός ατόμου, σε οποιοδήποτε βαθμό πληρότητας. Σε μια πρώτη προσέγγιση, ένα άτομο είναι ένας θετικά φορτισμένος πυρήνας που περιβάλλεται από αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια. Η πρώτη καταστροφική ενέργεια που μπορεί να πραγματοποιηθεί σε ένα άτομο είναι η αποκοπή ηλεκτρονίων από αυτό. Αυτό μπορεί να γίνει με διάφορους τρόπους: μπορείτε να εστιάσετε την ισχυρή ακτινοβολία λέιζερ σε αυτό ή μπορείτε να την ακτινοβολήσετε με γρήγορα ηλεκτρόνια ή άλλα γρήγορα σωματίδια. Ένα άτομο που έχει χάσει μερικά από τα ηλεκτρόνια του ονομάζεται ιόν. Σε αυτή την κατάσταση υπάρχουν άτομα στον Ήλιο, όπου οι θερμοκρασίες είναι τόσο υψηλές που είναι πρακτικά αδύνατο για τα άτομα να διατηρήσουν τα ηλεκτρόνια τους σε συγκρούσεις.

Όσο περισσότερα ηλεκτρόνια έχει χάσει ένα άτομο, τόσο πιο δύσκολο είναι να αφαιρεθούν τα υπόλοιπα. Ανάλογα με τον ατομικό αριθμό, ένα άτομο έχει περισσότερα ή λιγότερα ηλεκτρόνια. Το άτομο υδρογόνου έχει γενικά μόνο ένα ηλεκτρόνιο, και συχνά το χάνει ακόμη και υπό κανονικές συνθήκες, και το υδρογόνο που έχει χάσει τα ηλεκτρόνια του είναι αυτό που καθορίζει το pH του νερού. Ένα άτομο ηλίου έχει δύο ηλεκτρόνια και σε πλήρως ιονισμένη κατάσταση ονομάζεται σωματίδιο άλφα - το είδος των σωματιδίων που ήδη περιμένουμε από έναν πυρηνικό αντιδραστήρα και όχι από το συνηθισμένο νερό. Τα άτομα που περιέχουν πολλά ηλεκτρόνια απαιτούν ακόμη περισσότερη ενέργεια για να αφαιρέσουν όλα τα ηλεκτρόνια, αλλά παρόλα αυτά είναι δυνατό να αφαιρεθούν όλα τα ηλεκτρόνια από οποιοδήποτε άτομο.

Εάν αποκοπούν όλα τα ηλεκτρόνια, τότε ο πυρήνας παραμένει, αλλά μπορεί επίσης να καταστραφεί. Ο πυρήνας αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια (γενικά αδρόνια) και παρόλο που είναι αρκετά ισχυρά συνδεδεμένα, ένα προσπίπτον σωματίδιο αρκετά υψηλής ενέργειας μπορεί να τα διασπάσει. Τα βαριά άτομα, στα οποία υπάρχουν πάρα πολλά νετρόνια και πρωτόνια, τείνουν να καταρρέουν από μόνα τους, απελευθερώνοντας αρκετή ενέργεια - οι πυρηνικοί σταθμοί βασίζονται σε αυτήν την αρχή.

Αλλά ακόμα κι αν σπάσεις τον πυρήνα και αποκόψεις όλα τα ηλεκτρόνια, τα αρχικά σωματίδια παραμένουν: νετρόνια, πρωτόνια, ηλεκτρόνια. Φυσικά, μπορούν επίσης να καταστραφούν. Στην πραγματικότητα, αυτό είναι που κάνει, το οποίο επιταχύνει τα πρωτόνια σε τεράστιες ενέργειες, καταστρέφοντάς τα εντελώς σε συγκρούσεις. Σε αυτή την περίπτωση γεννιούνται πολλά νέα σωματίδια, τα οποία μελετά ο επιταχυντής. Το ίδιο μπορεί να γίνει με τα ηλεκτρόνια και οποιαδήποτε άλλα σωματίδια.

Η ενέργεια ενός κατεστραμμένου σωματιδίου δεν εξαφανίζεται, κατανέμεται μεταξύ άλλων σωματιδίων και αν υπάρχουν αρκετά από αυτά, τότε είναι αδύνατο να εντοπιστεί γρήγορα το αρχικό σωματίδιο στη θάλασσα των νέων μετασχηματισμών. Όλα μπορούν να καταστραφούν, δεν υπάρχουν εξαιρέσεις.

Αλεξέι Ακίμοφ

Υποψήφιος Φυσικομαθηματικών Επιστημών, επικεφαλής της ομάδας «Quantum Simulators» του Ρωσικού Quantum Center, δάσκαλος στο MIPT, υπάλληλος του Lebedev Physical Institute, ερευνητής στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ