Дали некогаш сте виделе атоми? Јас и ти сме составени од нив, па всушност, да. Но, дали некогаш сте виделе еден единствен атом? Неодамна беше снимена неверојатна фотографија од само еден атом електрични полиња, победи на престижниот натпревар за научна фотографија, почестувајќи највисоката награда. Фотографијата влезе во конкуренција под сосема логичен наслов „Еден атом во јонска стапица“, а автор е Дејвид Надлингер од Универзитетот во Оксфорд.

Советот за истражување на инженерството и физичките науки на Обединетото Кралство (EPSRC) ги објави победниците на својот национален натпревар за научна фотографија, при што фотографијата од еден атом ја освои главната награда.

На фотографијата, атомот е претставен како мала дамка светлина помеѓу две метални електроди лоцирани на околу 2 мм една од друга.

Наслов на фотографијата:

„Во центарот на фотографијата е видлива мала светла точка - еден позитивно наелектризиран атом на стронциум. Тој е речиси неподвижен од електричните полиња што произлегуваат од металните електроди што го опкружуваат. Кога е осветлен од сино-виолетовиот ласер, атомот брзо апсорбира и повторно емитува светлосни честички, правејќи конвенционален фотоапарат што би можел да го фотографирам со долга експозиција“.

„Фотографијата е направена преку прозорецот на ултра високата вакуумска комора во која се наоѓа стапицата. Атомските јони ладени со ласер даваат одлична основа за проучување и употреба уникатни својстваквантна физика. Тие се користат за создавање екстремно прецизни часовници или, во овој случај, како честички за изградба на идни квантни компјутери кои ќе можат да решаваат проблеми кои ги џуџести дури и најмоќните суперкомпјутери на денешницата“.

Ако сè уште не можевте да го видите атомот, еве го

„Идејата да можам да видам еден атом со голо око ми го разнесе умот, обезбедувајќи мост помеѓу малиот квантен свет и нашата макроскопска реалност“, рече Дејвид Надлингер.

Всушност, авторот на RTCh отишол толку далеку во своите „рефлексии“ што е време да предизвика тешка контра-аргументација, имено, податоци од експериментот на јапонските научници за фотографирање на атомот на водород, кој стана познат на 4 ноември. , 2010 година. Сликата јасно ја покажува атомската форма, потврдувајќи ја и дискретноста и заобленоста на атомите: „Група научници и специјалисти од Универзитетот во Токио фотографираа за прв пат во светот поединечен атом на водород - најлесниот и најмалиот од сите атоми. јавуваат новинските агенции.

Фотографијата е направена со помош на еден од најновите технологии– специјален електронски микроскоп за скенирање. Користејќи го овој уред, беше фотографиран посебен атом на ванадиум заедно со атом на водород.
Дијаметарот на атом на водород е десет милијардити дел од метар. Претходно се веруваше дека фотографирањето на него модерна опремаречиси невозможно. Водородот е најчестата супстанција. Неговиот удел во целиот универзум е приближно 90%.

Според научниците, на ист начин може да се направат и други слики. елементарни честички. „Сега можеме да ги видиме сите атоми што го сочинуваат нашиот свет“, рече професорот Јуичи Икухара. „Ова е пробив на нови форми на производство, кога во иднина ќе биде можно да се носат одлуки на ниво на поединечни атоми и молекули“.

Атом на водород, релативни бои
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i21/e213001

Група научници од Германија, Грција, Холандија, САД и Франција го фотографираа атомот на водород. Овие слики, добиени со помош на микроскоп за фотојонизација, покажуваат дистрибуција на густината на електроните што е целосно во согласност со резултатите од теоретските пресметки. Работа меѓународна групапретставени на страниците на Physical Review Letters.

Суштината на методот на фотојонизација е секвенцијална јонизација на атомите на водород, односно отстранување на електрон од нив поради електромагнетно зрачење. Одделените електрони се насочени кон осетливата матрица преку позитивно наелектризиран прстен, а положбата на електронот во моментот на судир со матрицата ја рефлектира положбата на електронот во моментот на јонизација на атомот. Наполнетиот прстен, кој ги отклонува електроните на страна, делува како леќа и со негова помош сликата се зголемува милиони пати.

Овој метод, опишан во 2004 година, веќе бил користен за фотографирање на поединечни молекули, но физичарите отишле понатаму и користеле фотојонизациски микроскоп за да ги проучуваат атомите на водород. Бидејќи ударот на еден електрон произведува само една точка, истражувачите акумулирале околу 20 илјади поединечни електрони од различни атомии составил просечна слика на електронските обвивки.

Според законите на квантната механика, електронот во атомот сам по себе нема специфична положба. Само кога атомот е во интеракција со надворешна срединаелектрон се појавува со една или друга веројатност во одредено соседство на атомското јадро: регионот во кој веројатноста за откривање електрон е максимална се нарекува електронска обвивка. Новите слики покажуваат разлики помеѓу атомите од различни енергетски состојби; Научниците беа во можност јасно да ја покажат формата на електронските обвивки предвидени од квантната механика.

Со помош на други инструменти, микроскопи за скенирање тунели, поединечни атоми не само што може да се видат, туку и да се преместат во Вистинско место. Пред околу еден месец, оваа техника им овозможи на инженерите на IBM да нацртаат цртан филм, чија секоја рамка е составена од атоми: таквите уметнички експерименти немаат никаков практичен ефект, но ја демонстрираат основната можност за манипулирање со атомите. За применети цели, повеќе не се користи атомско склопување, туку хемиски процеси со самоорганизирање на наноструктурите или самоограничување на растот на монатомските слоеви на подлогата.

Како што знаете, сè што е материјално во Универзумот се состои од атоми. Атомот е најмалата единица на материјата која ги носи своите својства. За возврат, структурата на атомот е составена од магично тројство на микрочестички: протони, неутрони и електрони.

Покрај тоа, секоја од микрочестичките е универзална. Односно, не можете да најдете два различни протони, неутрони или електрони во светот. Сите тие се апсолутно слични едни на други. И својствата на атомот ќе зависат само од квантитативниот состав на овие микрочестички во општа структураатом.

На пример, структурата на атом на водород се состои од еден протон и еден електрон. Следниот најкомплексен атом, хелиумот, се состои од два протони, два неутрони и два електрони. Атомот на литиум е составен од три протони, четири неутрони и три електрони, итн.

Атомска структура (од лево кон десно): водород, хелиум, литиум

Атомите се комбинираат за да формираат молекули, а молекулите се комбинираат за да формираат супстанции, минерали и организми. Молекулата на ДНК, која е основа на сите живи суштества, е структура составена од истите три магични тули на универзумот како каменот што лежи на патот. Иако оваа структура е многу посложена.

Уште повеќе неверојатни фактисе откриваат кога ќе се обидеме подетално да ги разгледаме пропорциите и структурата на атомскиот систем. Познато е дека атомот се состои од јадро и електрони кои се движат околу него долж траекторијата што опишува сфера. Односно, тоа не може ни да се нарече движење во вообичаена смисла на зборот. Наместо тоа, електронот се наоѓа насекаде и веднаш во оваа сфера, создавајќи електронски облак околу јадрото и формирајќи електромагнетно поле.

Шематски прикази на структурата на атомот

Јадрото на атомот се состои од протони и неутрони, а во него е концентрирана речиси целата маса на системот. Но, во исто време, самото јадро е толку мало што ако неговиот радиус се зголеми на скала од 1 cm, тогаш радиусот на целата атомска структура ќе достигне стотици метри. Така, сè што гледаме како густа материја се состои од повеќе од 99% од енергетските врски помеѓу физичките честички и помалку од 1% од самите физички форми.

Но, кои се овие физички форми? Од што се направени и како материјал се? За да одговориме на овие прашања, да ги разгледаме подетално структурите на протоните, неутроните и електроните. Значи, се спуштаме уште еден чекор во длабочините на микросветот - до нивото на субатомски честички.

Од што се состои електронот?

Најмалата честичка на атомот е електрон. Електронот има маса, но нема волумен. Во научниот концепт, електронот не се состои од ништо, туку е точка без структура.

Електронот не може да се види под микроскоп. Видливо е само во форма на електронски облак, кој наоколу изгледа како матна сфера атомско јадро. Во исто време, невозможно е да се каже со точност каде се наоѓа електронот во одреден момент во времето. Инструментите се способни да ја фатат не самата честичка, туку само нејзината енергетска трага. Суштината на електронот не е вградена во концептот на материјата. Тоа е повеќе како некоја празна форма која постои само при движење и поради движење.

Сè уште не е откриена структура во електронот. Тоа е истата точкаста честичка како енергетскиот квант. Всушност, електронот е енергија, но тој е постабилен облик на него од оној претставен со фотони на светлина.

Во моментов, електронот се смета за неделив. Ова е разбирливо, бидејќи е невозможно да се подели нешто што нема волумен. Сепак, теоријата веќе има развој на настани според кои електронот содржи тројство од такви квазичестички како што се:

  • Орбитон – содржи информации за орбиталната положба на електронот;
  • Спинон - одговорен за центрифугирање или вртежен момент;
  • Холон - носи информации за полнежот на електронот.

Меѓутоа, како што гледаме, квазичестичките немаат апсолутно ништо заедничко со материјата и носат само информации.

Фотографии од атоми различни супстанцииво електронски микроскоп

Интересно е што електронот може да апсорбира енергетски кванти, како светлина или топлина. Во овој случај, атомот се преместува во нов ниво на енергија, а границите на електронскиот облак се шират. Исто така, се случува енергијата што ја апсорбира електронот да биде толку голема што може да скокне од атомскиот систем и да го продолжи своето движење како независна честичка. Во исто време, тој се однесува како фотон на светлина, односно се чини дека престанува да биде честичка и почнува да ги покажува својствата на бранот. Ова беше докажано во експеримент.

Јунговиот експеримент

За време на експериментот, млаз од електрони беше насочен кон екран со два процепи исечени во него. Поминувајќи низ овие процепи, електроните се судриле со површината на друг проекциски екран, оставајќи свој белег на неа. Како резултат на ова „бомбардирање“ на електрони, на екранот на проекцијата се појави шема на пречки, слична на онаа што би се појавила ако брановите, но не и честичките, поминат низ два процепи.

Оваа шема настанува затоа што бранот што минува помеѓу два процепи е поделен на два бранови. Како резултат на понатамошно движење, брановите се преклопуваат еден со друг, а во некои области тие меѓусебно се откажуваат. Резултатот е многу линии на проекцискиот екран, наместо само една, како што би било кога електронот се однесувал како честичка.

Структура на јадрото на атомот: протони и неутрони

Протоните и неутроните го сочинуваат јадрото на атомот. И покрај фактот дека јадрото зафаќа помалку од 1% од вкупниот волумен, во оваа структура е концентрирана речиси целата маса на системот. Но, физичарите се поделени за структурата на протоните и неутроните, и овој моментИма две теории одеднаш.

  • Теорија бр.1 - Стандард

Стандардниот модел вели дека протоните и неутроните се составени од три кваркови поврзани со облак од глуони. Кварковите се точки честички, исто како квантите и електроните. А глуоните се виртуелни честички кои обезбедуваат интеракција на кварковите. Сепак, ниту кваркови ниту глуони никогаш не биле пронајдени во природата, па овој модел е предмет на жестоки критики.

  • Теорија #2 - Алтернатива

Но, според алтернативната теорија на унифицирано поле развиена од Ајнштајн, протонот, како неутронот, како и секоја друга честичка физичкиот свет, е електромагнетно поле кое ротира со брзина на светлината.

Електромагнетни полиња на човекот и планетата

Кои се принципите на атомската структура?

Сè во светот - тенко и густо, течно, цврсто и гасовито - е само енергетските состојби на безброј полиња кои продираат во просторот на Универзумот. Колку е повисоко нивото на енергија на полето, толку е потенко и помалку забележливо. Колку е пониско нивото на енергија, толку е постабилно и поопипливо. Структурата на атомот, како и структурата на која било друга единица на Универзумот, лежи во интеракцијата на таквите полиња - различни по енергетската густина. Излегува дека материјата е само илузија на умот.

На оваа фотографија ја гледате првата директна слика на орбитите на електрон околу атомот - всушност, брановата функција на атомот!

За да добиете фотографија орбитална структураатом на водород, истражувачите користеле нов квантен микроскоп - неверојатен уред кој им овозможува на научниците да ѕирнат во полето на квантната физика.

Орбиталната структура на просторот во атомот е окупирана од електрон. Но, за да ги опишат овие микроскопски својства на материјата, научниците се потпираат на брановите функции - математички начини за опишување на квантните состојби на честичките - имено, како тие се однесуваат во просторот и времето.

Како по правило, во квантна физикакористете формули како што е Шредингеровата равенка за да ги опишете состојбите на честичките.

Пречки на патот на истражувачите

Досега, научниците всушност никогаш не ја набљудувале брановата функција. Обидот да се долови точната позиција или импулсот на еден електрон беше како обид да се фати рој муви. Директните набљудувања беа искривени од многу непријатен феномен - квантна кохерентност.

За да ги измерите сите квантни состојби, потребна ви е алатка која може да врши повеќекратни мерења на состојбите на честичката со текот на времето.

Но, како да се зголеми веќе микроскопската состојба на квантната честичка? Група меѓународни истражувачи го нашле одговорот. Со помош на квантен микроскоп, уред кој користи фотојонизација за директно набљудување на атомските структури.

Во својата статија во популарното списание Physical Review Letters, Анета Стодолна, која работи во институтот молекуларна физика(AMOLF) во Холандија опишува како таа и нејзиниот тим ги добиле структурите на јазолските електронски орбитали на атом на водород сместен во статичко електрично поле.

Метод на работа

По зрачењето со ласерски импулси, јонизираните електрони ги напуштија своите орбити и по измерената траекторија паднаа во 2D детектор (двојна микроканална плоча. Детекторот се наоѓа нормално на самото поле). Постојат многу траектории по кои електроните можат да патуваат пред да се судрат со детекторот. Ова им обезбедува на истражувачите збир на шеми на пречки - модели кои ја рефлектираат нодалната структура на брановата функција.
Истражувачите користеле електростатска леќа која го зголемува излезниот електронски бран за повеќе од 20.000 пати.