Tačiau nufotografuoti patį atomą, o ne bet kurią jo dalį, atrodė itin sudėtinga užduotis, net ir naudojant pažangiausius įrenginius.

Faktas yra tas, kad pagal kvantinės mechanikos dėsnius neįmanoma vienodai tiksliai nustatyti visų subatominės dalelės savybių. Ši teorinės fizikos dalis sukurta remiantis Heisenbergo neapibrėžtumo principu, kuris teigia, kad neįmanoma išmatuoti dalelės koordinačių ir momento tokiu pat tikslumu – tikslūs vienos savybės matavimai tikrai pakeis duomenis apie kitą.

Taigi, užuot nustatę vietą (dalelių koordinates), kvantinė teorija siūlo išmatuoti vadinamąją banginę funkciją.

Bangos funkcija veikia panašiai kaip garso banga. Vienintelis skirtumas yra tas, kad matematinis aprašymas garso banga nustato molekulių judėjimą ore tam tikroje vietoje, o banginė funkcija nusako dalelės atsiradimo tam tikroje vietoje tikimybę pagal Šriodingerio lygtį.

Išmatuoti bangos funkciją taip pat nelengva (tiesioginiai stebėjimai priverčia ją žlugti), tačiau teoriniai fizikai gali apytiksliai numatyti jos reikšmes.

Eksperimentiškai išmatuoti visus banginės funkcijos parametrus galima tik tada, kai jie surinkti iš atskirų destruktyvių matavimų, atliekamų visiškai identiškose atomų ar molekulių sistemose.

Fizikai iš olandų tyrimų institutas AMOLF pristatė naują metodą, kuris nereikalauja jokių „perstatymų“, ir paskelbė savo darbo rezultatus žurnale „Physical Review Letters“. Jų metodika paremta 1981 m. hipoteze trys metai Sovietų teoriniai fizikai, taip pat vėlesnės studijos.

Eksperimento metu mokslininkų komanda nukreipė du lazerio spindulius į specialioje kameroje esančius vandenilio atomus. Dėl tokio smūgio elektronai paliko savo orbitas tokiu greičiu ir ta kryptimi, kurią nulėmė jų banginės funkcijos. Stiprus elektrinis laukas kameroje, kurioje buvo išsidėstę vandenilio atomai, siųsdavo elektronus į tam tikras plokščiojo (plokščiojo) detektoriaus dalis.

Elektronų, pataikiusių į detektorių, padėtis buvo nustatyta pagal jų pradinį greitį, o ne pagal padėtį kameroje. Taigi elektronų pasiskirstymas detektoriuje mokslininkams papasakojo apie šių dalelių banginę funkciją, kurią jie turėjo išeidami iš orbitos aplink vandenilio atomo branduolį.

Elektronų judesiai buvo rodomi fosforescenciniame ekrane tamsių ir šviesių žiedų pavidalu, kuriuos mokslininkai nufotografavo didelės raiškos skaitmenine kamera.

"Esame labai patenkinti savo rezultatais. Kvantinė mechanika turi tiek mažai bendro su kasdieniu žmonių gyvenimu, kad vargu ar kas nors būtų pagalvojęs gauti tikrą kvantinės sąveikos atome nuotrauką", - sako tyrimo vadovė Aneta Stodolna. Ji taip pat teigia, kad sukurta metodika gali turėti praktinis naudojimas, pavyzdžiui, sukurti atomo storio laidininkus, plėtoti molekulinės vielos technologiją, kuri žymiai pagerins šiuolaikinius elektroninius prietaisus.

"Pažymėtina, kad eksperimentas buvo atliktas su vandeniliu, kuris yra ir pati paprasčiausia, ir labiausiai paplitusi medžiaga mūsų Visatoje. Reikės suprasti, ar šią techniką galima pritaikyti sudėtingesniems atomams. Jei taip, tai yra didelis proveržis, kuris leis mums plėtoti ne tik elektroniką, bet ir nanotechnologijas“, – sako Jeffas Lundeenas iš Otavos universiteto, kuris nedalyvavo tyrime.

Tačiau patys mokslininkai, atlikę eksperimentą, negalvoja apie praktinę klausimo pusę. Jie mano, kad jų atradimas pirmiausia susijęs su fundamentinis mokslas kurios padės ateities fizikų kartoms perduoti daugiau žinių.

Atomas (iš graikų kalbos „nedalomas“) – kadaise buvusi mažiausia mikroskopinio dydžio materijos dalelė, mažiausia dalis cheminis elementas, kuri turi savo savybes. Atomo sudedamosios dalys – protonai, neutronai, elektronai – nebeturi šių savybių ir sudaro jas kartu. Kovalentiniai atomai sudaro molekules. Mokslininkai tiria atomo ypatybes ir, nors jos jau gana gerai ištirtos, nepraleidžia progos rasti ką nors naujo – ypač naujų medžiagų ir naujų atomų kūrimo srityje (tęsiant periodinę lentelę). 99,9% atomo masės yra branduolyje.

Neišsigąskite pavadinimo. Nacionalinės akceleratoriaus laboratorijos SLAC darbuotojų atsitiktinai sukurta juodoji skylė pasirodė esanti tik vieno atomo dydžio, tad mums niekas negresia. Taip, ir pavadinimas Juodoji skylė“ tik nuotoliniu būdu apibūdinamas tyrinėtojų pastebėtas reiškinys. Mes ne kartą jums pasakojome apie galingiausius pasaulyje rentgeno lazeris, su pavadinimu

Tiesą sakant, RFC autorius savo „apmąstymuose“ nuėjo taip toli, kad atėjo laikas iškviesti sunkius kontrargumentus, būtent Japonijos mokslininkų eksperimento, fotografuojant vandenilio atomą, duomenis, kurie tapo žinomi 2010 m. lapkričio 4 d. . Nuotraukoje aiškiai matoma atomo forma, patvirtinanti ir atomų diskretiškumą, ir apvalumą: „Grupė Tokijo universiteto mokslininkų ir specialistų pirmą kartą pasaulyje nufotografavo vieną vandenilio atomą – lengviausią ir mažiausią iš visų atomų, naujienos agentūros praneša.

Nuotrauka daryta su vienu iš naujausias technologijas– specialus skenuojantis elektroninis mikroskopas. Naudojant šį įrenginį kartu su vandenilio atomu buvo nufotografuotas ir atskiras vanadžio atomas.
Vandenilio atomo skersmuo yra viena dešimtoji milijardoji metro dalis. Anksčiau buvo manoma, kad šiuolaikine aparatūra jo nufotografuoti beveik neįmanoma. Vandenilis yra labiausiai paplitusi medžiaga. Jo dalis visoje Visatoje yra maždaug 90%.

Mokslininkų teigimu, tokiu pat būdu galima užfiksuoti ir kitus vaizdus. elementariosios dalelės. „Dabar matome visus atomus, sudarančius mūsų pasaulį“, – sakė profesorius Yuichi Ikuhara. „Tai yra proveržis į naujas gamybos formas, kai ateityje bus galima priimti sprendimus atskirų atomų ir molekulių lygmeniu.

Vandenilio atomas, sąlyginės spalvos
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i21/e213001

Grupė mokslininkų iš Vokietijos, Graikijos, Nyderlandų, JAV ir Prancūzijos nufotografavo vandenilio atomą. Šie vaizdai, gauti fotojonizaciniu mikroskopu, rodo elektronų tankio pasiskirstymą, kuris visiškai sutampa su teorinių skaičiavimų rezultatais. Tarptautinės grupės darbas pristatomas Physical Review Letters puslapiuose.

Fotojonizacijos metodo esmė yra nuosekli vandenilio atomų jonizacija, tai yra elektrono pašalinimas iš jų dėl elektromagnetinės spinduliuotės. Atskirti elektronai per teigiamai įkrautą žiedą nukreipiami į jautriąją matricą, o elektrono padėtis susidūrimo su matrica momentu atspindi elektrono padėtį atomo jonizacijos momentu. Įkrautas žiedas, nukreipiantis elektronus į šoną, atlieka objektyvo vaidmenį ir jo pagalba vaizdas padidinamas milijonus kartų.

Šis metodas, aprašytas 2004 m., jau buvo naudojamas atskirų molekulių „nuotraukoms“, tačiau fizikai nuėjo toliau ir panaudojo fotojonizacinį mikroskopą vandenilio atomams tirti. Kadangi pataikymas į vieną elektroną suteikia tik vieną tašką, mokslininkai sukaupė apie 20 000 atskirų elektronų iš skirtingų atomų ir apskaičiavo elektronų apvalkalų vaizdo vidurkį.

Pagal kvantinės mechanikos dėsnius, elektronas atome pats savaime neturi jokios apibrėžtos padėties. Tik atomui sąveikaujant su aplinka, tam tikroje atomo branduolio kaimynystėje atsiranda vienokia ar kitokia tikimybe turintis elektronas: sritis, kurioje elektrono radimo tikimybė yra didžiausia, vadinama. elektronų apvalkalas. Naujuose vaizduose matyti skirtumai tarp skirtingų energetinių būsenų atomų; mokslininkams pavyko vizualiai pademonstruoti kvantinės mechanikos numatytą elektronų apvalkalų formą.

Pasitelkus kitus instrumentus, skenuojančius tunelinius mikroskopus, atskirus atomus galima ne tik pamatyti, bet ir perkelti į reikiamą vietą. Ši technika maždaug prieš mėnesį leido IBM inžinieriams nupiešti animacinį filmuką, kurio kiekvienas kadras sudarytas iš atomų: tokie meniniai eksperimentai neturi jokio praktinio efekto, tačiau parodo esminę galimybę manipuliuoti atomais. Taikomaisiais tikslais tai nebėra atomo po atomo surinkimas, bet cheminiai procesai su savarankišku nanostruktūrų organizavimu arba monoatominių sluoksnių augimo ant substrato savaiminiu ribojimu.

Pabandykime. Nemanau, kad viskas, kas parašyta žemiau, yra visiškai tiesa, ir aš galėjau ką nors praleisti, tačiau esamų atsakymų į panašius klausimus analizė ir mano pačios mintys susidėliojo taip:

Paimkite vandenilio atomą: vienas protonas ir vienas elektronas jo orbitoje.

Vandenilio atomo spindulys yra tik jo elektrono orbitos spindulys. Gamtoje jis lygus 53 pikometriams, tai yra 53 × 10^-12 metrų, bet mes norime jį padidinti iki 30 × 10^-2 metrų – maždaug 5 milijardus kartų.

Protono skersmuo (tai yra mūsų atomo branduolys) - 1,75×10^−15 m Jei padidinsite iki norimo dydžio, jis bus 1×10^−5 metrų dydžio, tai yra šimtoji milimetro dalis. Jis neatskiriamas plika akimi.

Geriau iš karto padidinkime protoną iki žirnio dydžio. Tada elektrono orbita bus futbolo aikštės spindulys.

Protonas bus teigiamo krūvio sritis. Jį sudaro trys kvarkai, kurie yra apie tūkstantį kartų mažesni už jį – jų tikrai nepamatysime. Yra nuomonė, kad jei šis hipotetinis objektas bus apibarstytas magnetinėmis lustais, jis aplink centrą susiburs į sferinį debesį.

Elektronas nebus matomas. Aplink atomo branduolį neskris joks rutulys, elektrono „orbita“ yra tik sritis, kurios skirtinguose taškuose elektronas gali išsidėstyti su skirtinga tikimybe. Galite įsivaizduoti tai kaip stadiono skersmens sferą aplink mūsų žirnį. Atsitiktiniuose šios sferos taškuose neigiamas elektros krūvis. Be to, tai daro taip greitai, kad net ir bet kuriuo momentu nėra prasmės kalbėti apie konkrečią jo vietą... taip, tai nesuprantama. Paprasčiau tariant, jis visai „neatrodo“.

Įdomu, beje, kad padidinę atomą iki makroskopinių matmenų tikimės jį „pamatyti“ – tai yra aptikti nuo jo atsispindinčią šviesą. Tiesą sakant, įprasto dydžio atomai neatspindi šviesos; atominiu mastu mes kalbame apie elektronų ir fotonų sąveiką. Elektronas gali sugerti fotoną ir pereiti į kitą energijos lygį, gali spinduliuoti fotoną ir pan. Šią sistemą hipotetiškai padidinus iki futbolo aikštės dydžio, reikėtų per daug prielaidų, kad būtų galima numatyti šios neįmanomos struktūros elgesį: ar fotonas turėtų tokį patį poveikį milžiniškam atomui? Ar reikia į jį „žiūrėti“ bombarduojant specialiais milžiniškais fotonais? Ar jis skleis milžiniškus fotonus? Visi šie klausimai, griežtai tariant, yra beprasmiai. Vis dėlto manau, kad galima drąsiai teigti, kad atomas neatspindės šviesos taip, kaip tai atspindėtų metalinis rutulys.

Kaip žinote, visa medžiaga Visatoje susideda iš atomų. Atomas yra mažiausias medžiagos vienetas, turintis savo savybes. Savo ruožtu atomo struktūrą sudaro magiška mikrodalelių trejybė: protonai, neutronai ir elektronai.

Be to, kiekviena iš mikrodalelių yra universali. Tai yra, jūs negalite rasti dviejų skirtingų protonų, neutronų ar elektronų pasaulyje. Visi jie yra visiškai panašūs vienas į kitą. Ir atomo savybės priklausys tik nuo kiekybinės šių mikrodalelių sudėties bendra struktūra atomas.

Pavyzdžiui, vandenilio atomo struktūra susideda iš vieno protono ir vieno elektrono. Kitas sudėtingumo helio atomas susideda iš dviejų protonų, dviejų neutronų ir dviejų elektronų. Ličio atomas susideda iš trijų protonų, keturių neutronų ir trijų elektronų ir kt.

Atomų sandara (iš kairės į dešinę): vandenilis, helis, litis

Atomai susijungia į molekules, o molekulės susijungia į medžiagas, mineralus ir organizmus. DNR molekulė, kuri yra visos gyvybės pagrindas, yra struktūra, surinkta iš tų pačių trijų stebuklingų visatos blokų, kaip ir akmuo, gulintis ant kelio. Nors ši struktūra yra daug sudėtingesnė.

Dar daugiau nuostabių faktų atviras, kai bandome atidžiau pažvelgti į atominės sistemos proporcijas ir struktūrą. Yra žinoma, kad atomas susideda iš branduolio ir elektronų, judančių aplink jį rutulį apibūdinančia trajektorija. Tai yra, to net negalima pavadinti judėjimu įprasta to žodžio prasme. Elektronas veikiau yra visur ir iš karto šioje sferoje, aplink branduolį sukuria elektronų debesį ir sudaro elektromagnetinį lauką.

Scheminiai atomo sandaros vaizdai

Atomo branduolys susideda iš protonų ir neutronų, jame sutelkta beveik visa sistemos masė. Tačiau tuo pačiu metu pats branduolys yra toks mažas, kad padidinus jo spindulį iki 1 cm skalės, visos atomo struktūros spindulys pasieks šimtus metrų. Taigi viską, ką mes suvokiame kaip tankią medžiagą, sudaro daugiau nei 99% energetinių ryšių tarp fizinių dalelių ir mažiau nei 1% pačių fizinių formų.

Bet kas yra šios fizinės formos? Iš ko jie pagaminti ir kokios medžiagos? Norėdami atsakyti į šiuos klausimus, atidžiau pažvelkime į protonų, neutronų ir elektronų struktūras. Taigi, nusileidžiame dar vienu laipteliu į mikrokosmoso gelmes – į subatominių dalelių lygį.

Iš ko sudarytas elektronas?

Mažiausia atomo dalelė yra elektronas. Elektronas turi masę, bet neturi tūrio. Moksliniu požiūriu elektronas nesusideda iš nieko, o yra taškas be struktūros.

Mikroskopu elektrono nematyti. Jis stebimas tik elektronų debesies pavidalu, kuris atrodo kaip neryški sfera aplink atomo branduolį. Tuo pačiu metu neįmanoma tiksliai pasakyti, kur elektronas yra tam tikru momentu. Prietaisai gali užfiksuoti ne pačią dalelę, o tik jos energijos pėdsaką. Elektrono esmė nėra įtraukta į materijos sampratą. Tai veikiau kaip tuščia forma, kuri egzistuoja tik judėjime ir per judesį.

Elektrone dar nerasta jokia struktūra. Tai ta pati taškinė dalelė kaip ir energijos kvantas. Tiesą sakant, elektronas yra energija, tačiau tai yra stabilesnė forma nei ta, kurią vaizduoja šviesos fotonai.

Šiuo metu elektronas laikomas nedalu. Tai suprantama, nes neįmanoma padalinti to, kas neturi apimties. Tačiau jau yra teorijos, pagal kurią elektrono sudėtis apima trejybę tokių kvazidalelių, kaip:

• Orbiton – yra informacija apie elektrono padėtį orbitoje;
• Spinonas – atsakingas už sukimąsi arba sukimo momentą;
• Holonas – neša informaciją apie elektrono krūvį.

Tačiau, kaip matome, kvazidalelės visiškai neturi nieko bendra su materija ir neša tik informaciją.

Įvairių medžiagų atomų nuotraukos elektroniniu mikroskopu

Įdomu tai, kad elektronas gali sugerti energijos kvantus, tokius kaip šviesa ar šiluma. Tokiu atveju atomas pereina į naują energijos lygį, o elektronų debesies ribos plečiasi. Taip pat atsitinka, kad elektrono sugeriama energija yra tokia didelė, kad jis gali iššokti iš atominės sistemos ir tęsti judėjimą kaip nepriklausoma dalelė. Tuo pačiu metu jis elgiasi kaip šviesos fotonas, tai yra, atrodo, kad nustoja būti dalele ir pradeda demonstruoti bangos savybes. Tai buvo įrodyta eksperimentu.

Youngo eksperimentas

Eksperimento metu elektronų srautas buvo nukreiptas į ekraną, kuriame buvo išpjauti du plyšiai. Praėję pro šiuos plyšius, elektronai susidūrė su kito projekcinio ekrano paviršiumi, palikdami jame savo pėdsaką. Dėl šio elektronų „bombardavimo“ projekciniame ekrane atsirado trukdžių modelis, panašus į tą, kuris atsirastų, jei bangos, bet ne dalelės, praeitų per du plyšius.

Toks modelis atsiranda dėl to, kad banga, einanti tarp dviejų plyšių, yra padalinta į dvi bangas. Dėl tolesnio judėjimo bangos persidengia viena su kita, o kai kuriose vietose viena kitą panaikina. Dėl to projekciniame ekrane gauname daug juostelių, o ne vieną, kaip būtų, jei elektronas elgtųsi kaip dalelė.

Atomo branduolio sandara: protonai ir neutronai

Protonai ir neutronai sudaro atomo branduolį. Ir nepaisant to, kad bendrame tūryje šerdis užima mažiau nei 1%, būtent šioje struktūroje yra sutelkta beveik visa sistemos masė. Tačiau protonų ir neutronų struktūros sąskaita fizikų nuomonės skiriasi, ir šiuo metu yra dvi teorijos iš karto.

• 1 teorija – standartinė

Standartinis modelis sako, kad protonai ir neutronai susideda iš trijų kvarkų, sujungtų gliuonų debesimi. Kvarkai yra taškinės dalelės, kaip ir kvantai ir elektronai. O gliuonai yra virtualios dalelės, užtikrinančios kvarkų sąveiką. Tačiau gamtoje neaptikta nei kvarkų, nei gliuonų, todėl šis modelis susilaukia griežtos kritikos.

• 2 teorija – alternatyva

Tačiau pagal Einšteino sukurtą alternatyvią vieningo lauko teoriją, protonas, kaip ir neutronas, kaip ir bet kuri kita fizinio pasaulio dalelė, yra elektromagnetinis laukas, besisukantis šviesos greičiu.

Žmogaus ir planetos elektromagnetiniai laukai

Kokie yra atomo sandaros principai?

Viskas pasaulyje – subtilu ir tanku, skysta, kieta ir dujinė – tėra nesuskaičiuojamų laukų energetinės būsenos, persmelkiančios Visatos erdvę. Kuo aukštesnis energijos lygis lauke, tuo jis plonesnis ir mažiau juntamas. Kuo žemesnis energijos lygis, tuo jis stabilesnis ir apčiuopiamesnis. Atomo struktūroje, kaip ir bet kurio kito Visatos vieneto struktūroje, glūdi tokių laukų sąveika – skirtingo energijos tankio. Pasirodo, materija yra tik proto iliuzija.