Pernah melihat atom? Anda dan saya terdiri dari mereka, jadi sebenarnya ya. Tapi pernahkah Anda melihat satu atom? Baru-baru ini sebuah foto menakjubkan dari hanya satu atom diambil medan listrik, memenangkan kompetisi fotografi ilmiah bergengsi, dengan penghargaan penghargaan tertinggi. Foto tersebut mengikuti kompetisi dengan judul yang cukup logis “Atom Tunggal dalam Perangkap Ion”, dan penulisnya adalah David Nadlinger dari Universitas Oxford.

Dewan Riset Teknik dan Ilmu Fisika (EPSRC) Inggris telah mengumumkan pemenang kompetisi fotografi sains nasional, dengan foto sebuah atom menjadi hadiah utama.

Dalam foto tersebut, atom digambarkan sebagai setitik cahaya kecil di antara dua elektroda logam yang berjarak sekitar 2 mm.

Keterangan foto:

"Di tengah foto, terlihat titik terang kecil - satu atom strontium bermuatan positif. Titik tersebut hampir tidak bergerak oleh medan listrik yang berasal dari elektroda logam di sekitarnya. Saat disinari oleh laser biru-ungu, atom dengan cepat menyerap dan memancarkan kembali partikel cahaya, membuat kamera konvensional saya bisa memotretnya dengan eksposur yang lama."

“Foto diambil melalui jendela ruang vakum ultra-tinggi tempat perangkap berada. Ion atom berpendingin laser memberikan dasar yang sangat baik untuk dipelajari dan digunakan. properti unik fisika kuantum. Mereka digunakan untuk membuat jam yang sangat presisi atau, dalam hal ini, sebagai partikel untuk membangun komputer kuantum masa depan yang akan mampu memecahkan masalah yang bahkan membuat superkomputer terkuat saat ini terlihat kerdil.”

Jika Anda masih tidak dapat melihat atomnya, ini dia

“Gagasan untuk dapat melihat satu atom dengan mata telanjang mengejutkan saya, memberikan jembatan antara dunia kuantum kecil dan realitas makroskopis kita,” kata David Nadlinger.

Faktanya, penulis RTCh telah melangkah sejauh ini dalam “refleksinya” sehingga sudah waktunya untuk memprovokasi argumen tandingan yang berat, yaitu data dari percobaan ilmuwan Jepang untuk memotret atom hidrogen, yang diketahui pada tanggal 4 November. , 2010. Gambar tersebut dengan jelas menunjukkan bentuk atom, membenarkan keleluasaan dan kebulatan atom: “Sekelompok ilmuwan dan spesialis dari Universitas Tokyo memotret untuk pertama kalinya di dunia sebuah atom hidrogen individu - atom paling ringan dan terkecil dari semua atom, laporan kantor berita.

Foto diambil menggunakan salah satu teknologi terbaru– mikroskop elektron pemindai khusus. Dengan menggunakan perangkat ini, atom vanadium terpisah difoto bersama dengan atom hidrogen.
Diameter atom hidrogen adalah sepersepuluh miliar meter. Sebelumnya diyakini bahwa memotretnya peralatan modern hampir tidak mungkin. Hidrogen adalah zat yang paling umum. Bagiannya di seluruh Alam Semesta adalah sekitar 90%.

Menurut para ilmuwan, gambar lain bisa ditangkap dengan cara yang sama. partikel elementer. “Sekarang kita bisa melihat semua atom yang membentuk dunia kita,” kata Profesor Yuichi Ikuhara. “Ini adalah terobosan menuju bentuk-bentuk produksi baru, dimana di masa depan dimungkinkan untuk mengambil keputusan pada tingkat atom dan molekul individu.”

Atom hidrogen, warna relatif
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i21/e213001

Sekelompok ilmuwan dari Jerman, Yunani, Belanda, Amerika Serikat dan Perancis mengambil gambar atom hidrogen. Gambar-gambar ini, yang diperoleh dengan menggunakan mikroskop fotoionisasi, menunjukkan distribusi kerapatan elektron yang sepenuhnya sesuai dengan hasil perhitungan teoritis. Pekerjaan kelompok internasional disajikan pada halaman Physical Review Letters.

Inti dari metode fotoionisasi adalah ionisasi atom hidrogen secara berurutan, yaitu penghilangan elektron darinya karena iradiasi elektromagnetik. Elektron yang terpisah diarahkan ke matriks sensitif melalui cincin bermuatan positif, dan posisi elektron pada saat tumbukan dengan matriks mencerminkan posisi elektron pada saat ionisasi atom. Cincin bermuatan, yang membelokkan elektron ke samping, bertindak sebagai lensa dan dengan bantuannya gambar diperbesar jutaan kali.

Metode ini, yang dijelaskan pada tahun 2004, telah digunakan untuk mengambil “foto” molekul individu, namun fisikawan melangkah lebih jauh dan menggunakan mikroskop fotoionisasi untuk mempelajari atom hidrogen. Karena tumbukan satu elektron hanya menghasilkan satu titik, para peneliti mengumpulkan sekitar 20 ribu elektron individu atom yang berbeda dan menyusun gambar rata-rata kulit elektron.

Menurut hukum mekanika kuantum, elektron dalam suatu atom tidak mempunyai posisi tertentu dengan sendirinya. Hanya ketika atom berinteraksi dengannya lingkungan luar sebuah elektron muncul dengan satu atau lain kemungkinan di lingkungan tertentu dari inti atom: wilayah di mana kemungkinan maksimum untuk mendeteksi elektron disebut kulit elektron. Gambar-gambar baru menunjukkan perbedaan antara atom-atom dengan tingkat energi berbeda; Para ilmuwan mampu dengan jelas menunjukkan bentuk kulit elektron yang diprediksi oleh mekanika kuantum.

Dengan bantuan instrumen lain, pemindaian mikroskop terowongan, atom individu tidak hanya dapat dilihat, tetapi juga dipindahkan ke dalamnya Tempat yang benar. Sekitar sebulan yang lalu, teknik ini memungkinkan para insinyur IBM menggambar kartun, yang setiap bingkainya terdiri dari atom: eksperimen artistik semacam itu tidak memiliki efek praktis apa pun, tetapi menunjukkan kemungkinan mendasar untuk memanipulasi atom. Untuk tujuan terapan, bukan lagi perakitan atom yang digunakan, tetapi proses kimia dengan struktur nano yang mengatur dirinya sendiri atau membatasi pertumbuhan lapisan monoatomik pada substrat.

Seperti yang Anda ketahui, segala materi di alam semesta terdiri dari atom. Atom adalah unit terkecil dari materi yang membawa sifat-sifatnya. Pada gilirannya, struktur atom terdiri dari trinitas ajaib mikropartikel: proton, neutron, dan elektron.

Selain itu, masing-masing mikropartikel bersifat universal. Artinya, Anda tidak dapat menemukan dua proton, neutron, atau elektron berbeda di dunia. Semuanya sangat mirip satu sama lain. Dan sifat-sifat atom hanya akan bergantung pada komposisi kuantitatif mikropartikel tersebut struktur umum atom.

Misalnya struktur atom hidrogen terdiri dari satu proton dan satu elektron. Atom paling kompleks berikutnya, helium, terdiri dari dua proton, dua neutron, dan dua elektron. Atom litium terdiri dari tiga proton, empat neutron, tiga elektron, dan seterusnya.

Struktur atom (dari kiri ke kanan): hidrogen, helium, litium

Atom bergabung membentuk molekul, dan molekul bergabung membentuk zat, mineral, dan organisme. Molekul DNA, yang merupakan dasar dari semua makhluk hidup, adalah struktur yang dirangkai dari tiga batu bata ajaib alam semesta yang sama dengan batu yang tergeletak di jalan. Meskipun struktur ini jauh lebih kompleks.

Terlebih lagi fakta menakjubkan terungkap ketika kita mencoba melihat lebih dekat proporsi dan struktur sistem atom. Diketahui bahwa atom terdiri dari inti dan elektron yang bergerak mengelilinginya sepanjang lintasan yang menggambarkan sebuah bola. Artinya, ia bahkan tidak bisa disebut suatu gerakan dalam arti kata yang biasa. Sebaliknya, elektron terletak di mana-mana dan langsung di dalam bola ini, menciptakan awan elektron di sekitar inti dan membentuk medan elektromagnetik.

Representasi skematis dari struktur atom

Inti atom terdiri dari proton dan neutron, dan hampir seluruh massa sistem terkonsentrasi di dalamnya. Namun pada saat yang sama, inti atom itu sendiri sangat kecil sehingga jika jari-jarinya diperbesar menjadi 1 cm, maka jari-jari seluruh struktur atom akan mencapai ratusan meter. Jadi, segala sesuatu yang kita anggap sebagai materi padat terdiri dari lebih dari 99% ikatan energi antara partikel fisik dan kurang dari 1% bentuk fisik itu sendiri.

Tapi apakah bentuk fisik ini? Terbuat dari apa, dan bagaimana bahannya? Untuk menjawab pertanyaan-pertanyaan ini, mari kita lihat lebih dekat struktur proton, neutron, dan elektron. Jadi, kita turun satu langkah lagi ke kedalaman dunia mikro - ke tingkat partikel subatom.

Terdiri dari apakah elektron?

Partikel terkecil suatu atom adalah elektron. Sebuah elektron memiliki massa tetapi tidak memiliki volume. Dalam konsep ilmiah, elektron tidak terdiri dari apa pun, melainkan suatu titik yang tidak berstruktur.

Sebuah elektron tidak dapat dilihat di bawah mikroskop. Ia hanya terlihat dalam bentuk awan elektron, yang sekelilingnya tampak seperti bola buram inti atom. Pada saat yang sama, tidak mungkin untuk mengatakan dengan akurat di mana elektron berada pada suatu waktu. Instrumen tidak mampu menangkap partikel itu sendiri, tetapi hanya jejak energinya. Esensi elektron tidak tertanam dalam konsep materi. Ini lebih seperti suatu bentuk kosong yang hanya ada dalam gerakan dan karena gerakan.

Belum ada struktur elektron yang ditemukan. Ini adalah partikel titik yang sama dengan kuantum energi. Faktanya, elektron adalah energi, namun bentuk elektronnya lebih stabil dibandingkan bentuk foton cahaya.

Saat ini, elektron dianggap tidak dapat dibagi. Hal ini dapat dimaklumi, karena tidak mungkin membagi sesuatu yang tidak mempunyai volume. Namun, teori tersebut telah berkembang yang menyatakan bahwa elektron mengandung trinitas partikel kuasi seperti:

  • Orbiton – berisi informasi tentang posisi orbit elektron;
  • Spinon – bertanggung jawab atas putaran atau torsi;
  • Holon – membawa informasi tentang muatan elektron.

Namun, seperti yang kita lihat, partikel kuasi sama sekali tidak memiliki kesamaan dengan materi, dan hanya membawa informasi.

Foto atom zat yang berbeda dalam mikroskop elektron

Menariknya, elektron dapat menyerap kuanta energi, seperti cahaya atau panas. Dalam hal ini, atom berpindah ke atom baru tingkat energi, dan batas-batas awan elektron meluas. Kebetulan juga energi yang diserap oleh sebuah elektron begitu besar sehingga ia dapat melompat keluar dari sistem atom dan melanjutkan pergerakannya sebagai partikel independen. Pada saat yang sama, ia berperilaku seperti foton cahaya, yaitu ia berhenti menjadi partikel dan mulai menunjukkan sifat-sifat gelombang. Hal ini dibuktikan dalam sebuah percobaan.

Eksperimen Jung

Selama percobaan, aliran elektron diarahkan ke layar dengan dua celah di dalamnya. Melewati celah ini, elektron bertabrakan dengan permukaan layar proyeksi lain, meninggalkan bekas di atasnya. Akibat “pemboman” elektron ini, pola interferensi muncul di layar proyeksi, mirip dengan pola interferensi yang muncul jika gelombang, bukan partikel, melewati dua celah.

Pola ini terjadi karena gelombang yang lewat di antara dua celah terbagi menjadi dua gelombang. Akibat pergerakan selanjutnya, gelombang-gelombang tersebut saling tumpang tindih, dan di beberapa daerah saling membatalkan. Hasilnya adalah banyak garis pada layar proyeksi, bukan hanya satu, seperti yang terjadi jika elektron berperilaku seperti partikel.

Struktur inti atom: proton dan neutron

Proton dan neutron membentuk inti atom. Dan terlepas dari kenyataan bahwa inti menempati kurang dari 1% dari total volume, dalam struktur inilah hampir seluruh massa sistem terkonsentrasi. Namun fisikawan terbagi atas struktur proton dan neutron, dan saat ini Ada dua teori sekaligus.

  • Teori No. 1 - Standar

Model Standar mengatakan bahwa proton dan neutron terdiri dari tiga quark yang dihubungkan oleh awan gluon. Quark adalah partikel titik, sama seperti kuanta dan elektron. Dan gluon adalah partikel virtual yang menjamin interaksi quark. Namun, baik quark maupun gluon tidak pernah ditemukan di alam, sehingga model ini mendapat kritik keras.

  • Teori #2 - Alternatif

Namun menurut teori medan terpadu alternatif yang dikembangkan oleh Einstein, proton, seperti neutron, seperti partikel lainnya dunia fisik, adalah medan elektromagnetik yang berputar dengan kecepatan cahaya.

Medan elektromagnetik manusia dan planet

Apa prinsip struktur atom?

Segala sesuatu di dunia - tipis dan padat, cair, padat dan gas - hanyalah keadaan energi dari medan yang tak terhitung jumlahnya yang menembus ruang Semesta. Semakin tinggi tingkat energi di lapangan, semakin tipis dan semakin tidak terlihat. Semakin rendah tingkat energinya, semakin stabil dan nyata. Struktur atom, seperti struktur unit lain di Alam Semesta, terletak pada interaksi medan-medan tersebut - berbeda dalam kepadatan energi. Ternyata materi hanyalah ilusi pikiran.

Dalam foto ini Anda melihat gambar langsung pertama dari orbit elektron di sekitar atom - sebenarnya, fungsi gelombang atom!

Untuk menerima foto struktur orbit atom hidrogen, para peneliti menggunakan mikroskop kuantum baru - perangkat luar biasa yang memungkinkan para ilmuwan mengintip ke dalam bidang fisika kuantum.

Struktur orbital ruang dalam suatu atom ditempati oleh sebuah elektron. Namun untuk mendeskripsikan sifat mikroskopis materi ini, para ilmuwan mengandalkan fungsi gelombang—cara matematis untuk mendeskripsikan keadaan kuantum partikel—yaitu, bagaimana mereka berperilaku dalam ruang dan waktu.

Sebagai aturan, di fisika kuantum gunakan rumus seperti persamaan Schrödinger untuk menggambarkan keadaan partikel.

Hambatan dalam perjalanan peneliti

Hingga saat ini, para ilmuwan belum pernah mengamati fungsi gelombang secara nyata. Mencoba menangkap posisi atau momentum yang tepat dari sebuah elektron seperti mencoba menangkap segerombolan lalat. Pengamatan langsung terdistorsi oleh fenomena yang sangat tidak menyenangkan - koherensi kuantum.

Untuk mengukur semua keadaan kuantum, Anda memerlukan alat yang dapat melakukan beberapa pengukuran keadaan partikel dari waktu ke waktu.

Tetapi bagaimana cara meningkatkan keadaan partikel kuantum yang sudah mikroskopis? Sekelompok peneliti internasional menemukan jawabannya. Menggunakan mikroskop kuantum, perangkat yang menggunakan fotoionisasi untuk mengamati struktur atom secara langsung.

Dalam artikelnya di jurnal populer Physical Review Letters, Aneta Stodolna, yang bekerja di institut tersebut fisika molekuler(AMOLF) di Belanda menjelaskan bagaimana dia dan timnya memperoleh struktur orbital elektron simpul atom hidrogen yang ditempatkan dalam medan listrik statis.

Metode kerja

Setelah disinari dengan pulsa laser, elektron terionisasi meninggalkan orbitnya dan sepanjang lintasan terukur jatuh ke dalam detektor 2D (pelat saluran mikro ganda. Detektor terletak tegak lurus dengan medan itu sendiri). Ada banyak lintasan yang dapat dilalui elektron sebelum bertabrakan dengan detektor. Hal ini memberi peneliti serangkaian pola interferensi—model yang mencerminkan struktur nodal fungsi gelombang.
Para peneliti menggunakan lensa elektrostatis yang memperbesar gelombang elektron keluar lebih dari 20.000 kali.