Međutim, fotografiranje samog atoma, a ne bilo kojeg njegovog dijela, činilo se iznimno teškim zadatkom, čak i s najsuvremenijim uređajima.

Činjenica je da je prema zakonima kvantne mehanike nemoguće jednako točno odrediti sva svojstva subatomske čestice. Ovaj odjeljak teorijske fizike izgrađen je na Heisenbergovom načelu nesigurnosti, koje kaže da je nemoguće izmjeriti koordinate i zamah čestice s istom točnošću - točna mjerenja jednog svojstva sigurno će promijeniti podatke o drugom.

Dakle, umjesto lociranja (koordinata čestica), kvantna teorija predlaže mjerenje takozvane valne funkcije.

Valna funkcija radi otprilike na isti način kao zvučni val. Jedina razlika je u tome što matematički opis zvučni val određuje kretanje molekula u zraku na određenom mjestu, a valna funkcija opisuje vjerojatnost pojave čestice na određenom mjestu prema Schrödingerovoj jednadžbi.

Mjerenje valne funkcije također nije lako (izravna opažanja uzrokuju njezin kolaps), ali teoretski fizičari mogu grubo predvidjeti njezine vrijednosti.

Eksperimentalno je moguće izmjeriti sve parametre valne funkcije samo ako se prikupe iz zasebnih destruktivnih mjerenja provedenih na potpuno identičnim sustavima atoma ili molekula.

Fizičari iz Nizozemske Institut za istraživanja AMOLF je predstavio novu metodu koja ne zahtijeva nikakve "rebuildove" te je rezultate svog rada objavio u časopisu Physical Review Letters. Njihova metodologija temelji se na hipotezi iz 1981 tri godine Sovjetski teorijski fizičari, kao i kasnije studije.

Tijekom eksperimenta tim znanstvenika usmjerio je dvije laserske zrake na atome vodika smještene u posebnoj komori. Kao rezultat takvog udara, elektroni su napustili svoje orbite brzinom i u smjeru koji su određivali njihove valne funkcije. Jako električno polje u komori, u kojoj su se nalazili atomi vodika, slalo je elektrone u određene dijelove planarnog (plosnatog) detektora.

Položaj elektrona koji pogađaju detektor određen je njihovom početnom brzinom, a ne njihovim položajem u komori. Dakle, raspodjela elektrona na detektoru govorila je znanstvenicima o valnoj funkciji ovih čestica, koju su imale kada su napustile orbitu oko jezgre atoma vodika.

Kretanje elektrona prikazivalo se na fosforescentnom ekranu u obliku tamnih i svijetlih prstenova, koje su znanstvenici fotografirali digitalnom kamerom visoke rezolucije.

"Vrlo smo zadovoljni našim rezultatima. Kvantna mehanika ima tako malo veze sa svakodnevnim životom ljudi da bi rijetko tko pao na pamet napraviti pravu fotografiju kvantnih interakcija u atomu", kaže Aneta Stodolna, glavna autorica studije. Ona također tvrdi da razvijena metodologija može imati praktičnu upotrebu, primjerice, za stvaranje vodiča debljine poput atoma, razvoj tehnologije molekularne žice, koja će značajno unaprijediti suvremene elektroničke uređaje.

"Važno je napomenuti da je eksperiment proveden na vodiku, koji je i najjednostavnija i najčešća tvar u našem svemiru. Bit će potrebno razumjeti može li se ova tehnika primijeniti na složenije atome. Ako je tako, onda je ovo veliki napredak koji će nam omogućiti razvoj ne samo elektronike, već i nanotehnologije,” kaže Jeff Lundeen sa Sveučilišta u Ottawi, koji nije bio uključen u studiju.

Međutim, sami znanstvenici koji su proveli eksperiment ne razmišljaju o praktičnoj strani problema. Smatraju da se njihovo otkriće prvenstveno odnosi na temeljna znanostšto će pomoći u prijenosu više znanja budućim generacijama fizičara.

Atom (od grčkog "nedjeljiv") - nekada najmanja čestica materije mikroskopske veličine, najmanji dio kemijski element, koji nosi svoja svojstva. Sastojci atoma - protoni, neutroni, elektroni - više nemaju ta svojstva i tvore ih zajedno. Kovalentni atomi tvore molekule. Znanstvenici proučavaju značajke atoma, i iako su već prilično dobro proučeni, ne propuštaju priliku pronaći nešto novo - posebno u području stvaranja novih materijala i novih atoma (nastavak periodnog sustava). 99,9% mase atoma nalazi se u jezgri.

Nemojte se uplašiti naslova. Ispostavilo se da je crna rupa koju je slučajno stvorilo osoblje Nacionalnog akceleratorskog laboratorija SLAC velika samo jedan atom, tako da nam ništa ne prijeti. Da, i naslov Crna rupa” samo izdaleka opisuje fenomen koji promatraju istraživači. Više puta smo vam pričali o najmoćnijima na svijetu rendgenski laser, koji nosi ime

Zapravo, autor RFC-a je u svojim "razmišljanjima" otišao toliko daleko da je vrijeme da se pozove teške protuargumente, naime podatke o eksperimentu japanskih znanstvenika na fotografiranju atoma vodika, koji su postali poznati 4. studenog 2010. Slika jasno prikazuje atomski oblik, potvrđujući i diskretnost i zaobljenost atoma: “Grupa znanstvenika i stručnjaka sa Sveučilišta u Tokiju prvi je put u svijetu fotografirala jedan atom vodika - najlakši i najmanji od svih atoma, vijesti javljaju agencije.

Slika je snimljena s jednim od najnovije tehnologije– specijalni skenirajući elektronski mikroskop. Pomoću ovog uređaja, uz atom vodika, fotografiran je i zaseban atom vanadija.
Promjer atoma vodika je jedan desetmilijarditi dio metra. Ranije se vjerovalo da ga je gotovo nemoguće fotografirati modernom opremom. Vodik je najčešća tvar. Njegov udio u cijelom Svemiru je otprilike 90%.

Prema znanstvenicima, druge slike mogu se snimiti na isti način. 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 razini pojedinačnih atoma i molekula.”

Atom vodika, uvjetne boje
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i21/e213001

Grupa znanstvenika iz Njemačke, Grčke, Nizozemske, SAD-a i Francuske snimila je atom vodika. Ove slike dobivene fotoionizacijskim mikroskopom pokazuju raspodjelu gustoće elektrona, koja se u potpunosti podudara s rezultatima teoretskih proračuna. Rad međunarodne skupine predstavljen je na stranicama časopisa Physical Review Letters.

Bit fotoionizacijske metode leži u sekvencijalnoj ionizaciji vodikovih atoma, odnosno u otkidanju elektrona od njih uslijed elektromagnetskog zračenja. Odvojeni elektroni se kroz pozitivno nabijeni prsten usmjeravaju na osjetljivu matricu, a položaj elektrona u trenutku sudara s matricom odražava položaj elektrona u trenutku ionizacije atoma. Nabijeni prsten, koji skreće elektrone u stranu, ima ulogu leće i pomoću njega se slika povećava milijune puta.

Ova metoda, opisana 2004. godine, već je korištena za "slikanje" pojedinačnih molekula, no fizičari su otišli dalje i upotrijebili fotoionizacijski mikroskop za proučavanje atoma vodika. Budući da pogađanje jednog elektrona daje samo jedan bod, istraživači su akumulirali oko 20.000 pojedinačnih elektrona iz različitih atoma i izračunali prosjek slike elektronskih ljuski.

Prema zakonima kvantne mehanike, elektron u atomu sam po sebi nema određeni položaj. Tek kada atom stupa u interakciju s vanjskim okruženjem, elektron s jednom ili drugom vjerojatnošću pojavljuje se u određenom susjedstvu atomske jezgre: područje u kojem je vjerojatnost pronalaska elektrona najveća naziva se elektronska ljuska. Nove slike pokazuju razlike između atoma različitih energetskih stanja; znanstvenici su bili u mogućnosti vizualno pokazati oblik elektronskih ljuski koje predviđa kvantna mehanika.

Uz pomoć drugih instrumenata, skenirajućih tunelskih mikroskopa, pojedinačni se atomi mogu ne samo vidjeti, već i premjestiti na pravo mjesto. Prije otprilike mjesec dana ova je tehnika omogućila IBM-ovim inženjerima da nacrtaju crtani film čiji je svaki okvir sastavljen od atoma: takvi umjetnički eksperimenti nemaju nikakav praktičan učinak, ali pokazuju temeljnu mogućnost manipuliranja atomima. Za primijenjene svrhe, to više nije sklapanje atoma po atom, već kemijski procesi sa samoorganizacijom nanostruktura ili samoograničenjem rasta monoatomskih slojeva na podlozi.

Pokušajmo. Ne mislim da je sve što je dolje napisano potpuno točno i moglo mi je nešto promaknuti, no analiza postojećih odgovora na slična pitanja i vlastita razmišljanja posložila su se ovako:

Uzmimo atom vodika: jedan proton i jedan elektron u njegovoj orbiti.

Polumjer atoma vodika je samo polumjer orbite njegovog elektrona. U prirodi je jednak 53 pikometra, odnosno 53 × 10^-12 metara, ali mi ga želimo povećati na 30 × 10^-2 metara - oko 5 milijardi puta.

Promjer protona (to jest, naš atomska jezgra) - 1,75×10^−15 m. Ako ga povećate na željenu veličinu, bit će veličine 1×10^−5 metara, odnosno stoti dio milimetra. Ne može se razlikovati golim okom.

Povećajmo proton odmah na veličinu zrna graška. Orbita elektrona će tada biti polumjer nogometnog igrališta.

Proton će biti područje pozitivnog naboja. Sastoji se od tri kvarka, koji su oko tisuću puta manji od njega – sigurno ih nećemo vidjeti. Postoji mišljenje da ako se ovaj hipotetski objekt pospe magnetskim čipovima, on će se okupiti oko središta u sferni oblak.

Elektron neće biti vidljiv. Nikakva lopta neće letjeti oko atomske jezgre, "orbita" elektrona je samo područje u čijim se različitim točkama elektron može nalaziti s različitim vjerojatnostima. Možete to zamisliti kao sferu promjera stadiona oko našeg zrna graška. Na nasumičnim točkama unutar ove sfere, negativ električno punjenje. Štoviše, čini to tako brzo da čak ni u jednom trenutku nema smisla govoriti o njegovoj specifičnoj lokaciji ... da, to je neshvatljivo. Jednostavno rečeno, uopće ne "izgleda".

Zanimljivo je, inače, da se povećanjem atoma na makroskopske dimenzije nadamo da ćemo ga "vidjeti" - odnosno detektirati svjetlost koja se od njega reflektira. Zapravo, atomi obične veličine ne reflektiraju svjetlost; na atomskoj razini, govorimo o interakcijama između elektrona i fotona. Elektron može apsorbirati foton i prijeći na sljedeću energetsku razinu, može emitirati foton, i tako dalje. Uz ovaj sustav hipotetski povećan na veličinu nogometnog igrališta, bilo bi potrebno previše pretpostavki da se predvidi ponašanje ove nemoguće strukture: bi li foton imao isti učinak na divovski atom? Je li ga potrebno "gledati" bombardirajući ga posebnim divovskim fotonima? Hoće li emitirati goleme fotone? Sva ova pitanja su, strogo govoreći, besmislena. Međutim, mislim da je sigurno reći da atom neće reflektirati svjetlost na način na koji bi to učinila metalna kugla.

Kao što znate, sve materijalno u svemiru sastoji se od atoma. Atom je najmanja jedinica materije koja nosi svoja svojstva. S druge strane, strukturu atoma čini magično trojstvo mikročestica: protona, neutrona i elektrona.

Štoviše, 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 tih mikročestica opća struktura atom.

Na primjer, struktura atoma vodika sastoji se od jednog protona i jednog elektrona. Sljedeći po složenosti, atom helija sastoji se od dva protona, dva neutrona i dva elektrona. Atom litija sastoji se od tri protona, četiri neutrona i tri elektrona itd.

Struktura atoma (s lijeva na desno): vodik, helij, litij

Atomi se spajaju u molekule, a molekule se spajaju u tvari, minerale i organizme. Molekula DNK, koja je osnova svega života, struktura je sastavljena od ista tri magična građevna bloka svemira kao i kamen koji leži na cesti. Iako je ova struktura mnogo složenija.

Još više nevjerojatne činjenice otvoriti kada pokušamo pobliže promotriti proporcije i strukturu atomskog sustava. Poznato je da se atom sastoji od jezgre i elektrona koji se oko nje kreću duž putanje koja opisuje sferu. Odnosno, ne može se čak ni nazvati pokretom u uobičajenom smislu te riječi. Elektron se nalazi posvuda i neposredno unutar ove sfere, stvarajući elektronski oblak oko jezgre i formirajući elektromagnetsko polje.

Shematski prikazi strukture atoma

Jezgra atoma sastoji se od protona i neutrona iu njoj je koncentrirana gotovo cjelokupna masa sustava. Ali u isto vrijeme, sama jezgra je toliko mala da ako povećate njezin radijus na ljestvici od 1 cm, tada će radijus cijele strukture atoma doseći stotine metara. Dakle, sve što percipiramo kao gustu materiju sastoji se od više od 99% energetskih veza između samih fizičkih čestica i manje od 1% samih fizičkih oblika.

Ali koji su to fizički oblici? Od čega su napravljeni i od kakvog su materijala? Kako bismo odgovorili na ova pitanja, pogledajmo pobliže strukture protona, neutrona i elektrona. Dakle, spuštamo se još jednu stepenicu u dubine mikrokozmosa – na razinu subatomskih čestica.

Od čega se sastoji elektron?

Najmanja čestica atoma je elektron. Elektron ima masu, ali nema volumen. U znanstvenom pogledu, elektron se ne sastoji ni od čega, već je točka bez strukture.

Elektron se ne može vidjeti pod mikroskopom. Opaža se samo u obliku elektronskog oblaka, koji izgleda kao nejasna kugla oko atomske jezgre. U isto vrijeme, nemoguće je s točnošću reći gdje se elektron nalazi u određenom trenutku. Uređaji su sposobni uhvatiti ne samu česticu, već samo njen energetski trag. Suština elektrona nije ugrađena u pojam materije. To je više poput prazne forme koja postoji samo u i kroz pokret.

U elektronu još nije pronađena nikakva struktura. To je ista točkasta čestica kao i kvant energije. Zapravo, elektron je energija, ali to je njegov stabilniji oblik od onog koji predstavljaju fotoni svjetlosti.

Trenutno se elektron smatra nedjeljivim. To je i razumljivo, jer nemoguće je podijeliti nešto što nema volumen. Međutim, već postoje pomaci u teoriji, prema kojima sastav elektrona sadrži trojstvo takvih kvazičestica kao što su:

• Orbiton - sadrži podatke o orbitalnom položaju elektrona;
• Spinon - odgovoran za vrtnju ili okretni moment;
• Holon - nosi informaciju o naboju elektrona.

Međutim, kao što vidimo, kvazičestice nemaju apsolutno ništa zajedničko s materijom, već nose samo informaciju.

Fotografije atoma različitih tvari u elektronskom mikroskopu

Zanimljivo je da elektron može apsorbirati kvante energije, poput svjetlosti ili topline. U tom slučaju atom prelazi na novu energetsku razinu, a granice elektronskog oblaka se šire. Također se događa da je energija koju apsorbira elektron tolika da može iskočiti iz atomskog sustava i nastaviti svoje kretanje kao samostalna čestica. Pritom se ponaša kao foton svjetlosti, odnosno kao da prestaje biti čestica i počinje pokazivati ​​svojstva vala. To je dokazano eksperimentom.

Youngov eksperiment

Tijekom eksperimenta struja elektrona bila je usmjerena na zaslon s dva proreza. Prolazeći kroz te proreze, elektroni su se sudarali s površinom drugog projekcijskog platna, ostavljajući trag na njemu. Kao rezultat tog “bombardiranja” elektronima, na projekcijskom platnu pojavio se interferencijski uzorak, sličan onom koji bi se pojavio da kroz dva proreza prolaze valovi, a ne čestice.

Takav uzorak nastaje zbog činjenice da je val, koji prolazi između dva utora, podijeljen u dva vala. Uslijed daljnjeg kretanja valovi se međusobno preklapaju, a na nekim područjima i poništavaju. Kao rezultat toga, na projekcijskom platnu dobivamo mnogo pruga, umjesto jedne, kao što bi bilo da se elektron ponaša kao čestica.

Građa jezgre atoma: protoni i neutroni

Protoni i neutroni čine jezgru atoma. I unatoč činjenici da u ukupnom volumenu jezgra zauzima manje od 1%, upravo je u ovoj strukturi koncentrirana gotovo cijela masa sustava. Ali na račun strukture protona i neutrona, fizičari su podijeljeni u mišljenju, a trenutno postoje dvije teorije odjednom.

• Teorija #1 - Standard

Standardni model kaže da su protoni i neutroni sastavljeni od tri kvarka povezana oblakom gluona. Kvarkovi su točkaste čestice, baš kao kvanti i elektroni. A gluoni su virtualne čestice koje osiguravaju međudjelovanje kvarkova. Međutim, ni kvarkovi ni gluoni nisu pronađeni u prirodi, pa je ovaj model podložan oštrim kritikama.

• Teorija #2 - Alternativa

Ali prema alternativnoj teoriji objedinjenog polja koju je razvio Einstein, proton je, poput neutrona, kao i svaka druga čestica fizičkog svijeta, elektromagnetsko polje koje se okreće brzinom svjetlosti.

Elektromagnetska polja čovjeka i planeta

Koji su principi strukture atoma?

Sve na svijetu – suptilno i gusto, tekuće, čvrsto i plinovito – samo su energetska stanja bezbrojnih polja koja prožimaju prostor Svemira. Što je viša razina energije u polju, ono je tanje i manje zamjetljivo. Što je niža razina energije, to je stabilnija i opipljivija. U strukturi atoma, kao iu strukturi bilo koje druge jedinice svemira, leži međudjelovanje takvih polja - različitih po gustoći energije. Ispada da je materija samo iluzija uma.