Cu toate acestea, fotografia atomului în sine, și nu a oricărei părți a acestuia, părea o sarcină extrem de dificilă, chiar și cu dispozitivele cele mai de înaltă tehnologie.

Faptul este că, în conformitate cu legile mecanicii cuantice, este imposibil să se determine la fel de exact toate proprietățile unei particule subatomice. Această secțiune a fizicii teoretice este construită pe principiul incertitudinii Heisenberg, care afirmă că este imposibil să se măsoare coordonatele și impulsul unei particule cu aceeași acuratețe - măsurătorile precise ale unei proprietăți vor schimba cu siguranță datele despre cealaltă.

Deci, în loc să localizați (coordonatele particulelor), teoria cuantica propune măsurarea așa-numitei funcție de undă.

Funcția de undă funcționează aproape în același mod ca o undă sonoră. Singura diferență este că descrierea matematică unda de sunet determină mișcarea moleculelor în aer într-un anumit loc, iar funcția de undă descrie probabilitatea ca o particulă să apară într-un anumit loc conform ecuației Schrödinger.

Măsurarea funcției de undă nu este, de asemenea, ușoară (observațiile directe o fac să se prăbușească), dar fizicienii teoreticieni pot prezice aproximativ valorile acesteia.

Este posibil să se măsoare experimental toți parametrii funcției de undă numai dacă este colectat din măsurători distructive separate efectuate pe sisteme complet identice de atomi sau molecule.

Fizicieni din olandeză institut de cercetare AMOLF a prezentat o nouă metodă care nu necesită nicio „reconstruire” și a publicat rezultatele muncii lor în revista Physical Review Letters. Metodologia lor se bazează pe ipoteza din 1981 trei ani Fizicienii teoreticieni sovietici, precum și studiile ulterioare.

În timpul experimentului, echipa de oameni de știință a direcționat două fascicule laser către atomii de hidrogen plasați într-o cameră specială. Ca urmare a unui astfel de impact, electronii și-au părăsit orbitele la viteza și în direcția care au fost determinate de funcțiile lor de undă. Un câmp electric puternic din camera, unde se aflau atomii de hidrogen, trimitea electroni către anumite părți ale detectorului plan (plat).

Poziția electronilor care lovesc detectorul a fost determinată de viteza lor inițială, nu de poziția lor în cameră. Astfel, distribuția electronilor de pe detector le-a spus oamenilor de știință despre funcția de undă a acestor particule, pe care o aveau atunci când au părăsit orbita în jurul nucleului unui atom de hidrogen.

Mișcările electronilor au fost afișate pe un ecran fosforescent sub formă de inele întunecate și luminoase, pe care oamenii de știință le-au fotografiat cu o cameră digitală de înaltă rezoluție.

"Suntem foarte mulțumiți de rezultatele noastre. Mecanica cuantică are atât de puțin de-a face cu viața de zi cu zi a oamenilor, încât aproape nimeni s-ar fi gândit să obțină o fotografie reală a interacțiunilor cuantice din atom", spune Aneta Stodolna, autorul principal al studiului. Ea mai susține că metodologia dezvoltată poate avea uz practic, de exemplu, pentru a crea conductori groși ca un atom, dezvoltarea tehnologiei firelor moleculare, care va îmbunătăți semnificativ dispozitivele electronice moderne.

„Este de remarcat faptul că experimentul a fost efectuat pe hidrogen, care este atât cea mai simplă, cât și cea mai comună substanță din Universul nostru. Va fi necesar să înțelegem dacă această tehnică poate fi aplicată la atomi mai complecși. Dacă da, atunci aceasta este o mare descoperire care ne va permite să dezvoltăm nu numai electronica, ci și nanotehnologia”, spune Jeff Lundeen de la Universitatea din Ottawa, care nu a fost implicat în studiu.

Cu toate acestea, oamenii de știință înșiși care au condus experimentul nu se gândesc la latura practică a problemei. Ei cred că descoperirea lor se referă în primul rând la stiinta fundamentala ceea ce va ajuta la transferul mai multor cunoștințe generațiilor viitoare de fizicieni.

Atom (din grecescul „indivizibil”) - cândva cea mai mică particulă de materie de dimensiune microscopică, cea mai mică parte element chimic, care își poartă proprietățile. Componentele atomului – protoni, neutroni, electroni – nu mai au aceste proprietăți și le formează împreună. Atomii covalenti formează molecule. Oamenii de știință studiază caracteristicile atomului și, deși sunt deja destul de bine studiate, nu ratează ocazia de a găsi ceva nou - în special, în domeniul creării de noi materiale și noi atomi (continuând tabelul periodic). 99,9% din masa unui atom se află în nucleu.

Nu te lăsa intimidat de titlu. Gaura neagră, creată accidental de personalul Laboratorului Național de Accelerator SLAC, s-a dovedit a avea o dimensiune de doar un atom, așa că nimic nu ne amenință. Da, și titlul gaură neagră” descrie doar de la distanță fenomenul observat de cercetători. V-am spus în repetate rânduri despre cei mai puternici din lume laser cu raze X, purtând numele

De fapt, autorul RFC în „reflecțiile” sale a mers atât de departe încât este timpul să invoce contraargumente grele, și anume, datele experimentului oamenilor de știință japonezi privind fotografiarea atomului de hidrogen, care a devenit cunoscut pe 4 noiembrie 2010. Imaginea arată clar forma atomică, confirmând atât discretitatea cât și rotunjimea atomilor: „Un grup de oameni de știință și specialiști de la Universitatea din Tokyo a fotografiat un singur atom de hidrogen pentru prima dată în lume - cel mai ușor și mai mic dintre toți atomii, știri raportul agențiilor.

Poza a fost făcută cu unul dintre cele mai noi tehnologii– un microscop electronic cu scanare special. Folosind acest dispozitiv, împreună cu un atom de hidrogen, a fost fotografiat și un atom de vanadiu separat.
Diametrul unui atom de hidrogen este de o zece miliarde de metru. Anterior, se credea că era aproape imposibil să o fotografiezi cu echipamente moderne. Hidrogenul este cea mai comună substanță. Ponderea sa în întregul Univers este de aproximativ 90%.

Potrivit oamenilor de știință, alte imagini pot fi surprinse în același mod. particule elementare. „Acum putem vedea toți atomii care alcătuiesc lumea noastră”, a spus profesorul Yuichi Ikuhara. „Acesta este o descoperire în noile forme de producție, când în viitor va fi posibil să se ia decizii la nivelul atomilor și moleculelor individuale.”

Atom de hidrogen, culori condiționate
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i21/e213001

Un grup de oameni de știință din Germania, Grecia, Țările de Jos, SUA și Franța au fotografiat atomul de hidrogen. Aceste imagini, obținute cu ajutorul unui microscop cu fotoionizare, arată distribuția densității electronice, care coincide complet cu rezultatele calculelor teoretice. Activitatea grupului internațional este prezentată în paginile Physical Review Letters.

Esența metodei de fotoionizare constă în ionizarea secvențială a atomilor de hidrogen, adică în ruperea unui electron din ei din cauza iradierii electromagnetice. Electronii separați sunt direcționați către matricea sensibilă printr-un inel încărcat pozitiv, iar poziția electronului în momentul ciocnirii cu matricea reflectă poziția electronului în momentul ionizării atomului. Inelul încărcat, care deviază electronii în lateral, joacă rolul unei lentile și cu ajutorul lui imaginea este mărită de milioane de ori.

Această metodă, descrisă în 2004, a fost deja folosită pentru a face „fotografii” moleculelor individuale, dar fizicienii au mers mai departe și au folosit un microscop cu fotoionizare pentru a studia atomii de hidrogen. Deoarece lovirea unui electron dă doar un punct, cercetătorii au acumulat aproximativ 20.000 de electroni individuali de la diferiți atomi și au făcut media imaginii învelișurilor de electroni.

Conform legilor mecanicii cuantice, un electron dintr-un atom nu are o poziție definită în sine. Numai atunci când un atom interacționează cu mediul extern, un electron cu una sau alta probabilitate apare într-o anumită vecinătate a nucleului atomic: regiunea în care probabilitatea de a găsi un electron este maximă se numește învelișul de electroni. Noile imagini arată diferențe între atomii cu diferite stări de energie; oamenii de știință au reușit să demonstreze vizual forma învelișurilor de electroni prezise de mecanica cuantică.

Cu ajutorul altor instrumente, microscoape de scanare cu tunel, atomii individuali pot fi nu numai văzuți, ci și mutați în locul potrivit. Această tehnică, în urmă cu aproximativ o lună, le-a permis inginerilor IBM să deseneze un desen animat, al cărui cadru este compus din atomi: astfel de experimente artistice nu au niciun efect practic, dar demonstrează posibilitatea fundamentală de a manipula atomii. În scopuri aplicate, nu mai este un ansamblu atom cu atom, ci procese chimice cu autoorganizarea nanostructurilor sau autolimitarea creșterii straturilor monoatomice pe un substrat.

Sa incercam. Nu cred că tot ce este scris mai jos este complet adevărat și aș fi putut scăpa ceva, dar analiza răspunsurilor existente la întrebări similare și propriile mele gânduri s-au aliniat astfel:

Luați un atom de hidrogen: un proton și un electron pe orbita lui.

Raza unui atom de hidrogen este doar raza orbitei electronului său. În natură, este egal cu 53 picometri, adică 53 × 10^-12 metri, dar dorim să-l creștem la 30 × 10^-2 metri - de aproximativ 5 miliarde de ori.

Diametrul unui proton (adică al nostru nucleul atomic) - 1,75×10^−15 m. Dacă o măriți la dimensiunea dorită, va avea dimensiunea de 1×10^−5 metri, adică o sutime de milimetru. Nu se poate distinge cu ochiul liber.

Să creștem mai bine protonul imediat până la dimensiunea unui bob de mazăre. Orbita electronului va fi atunci raza unui teren de fotbal.

Protonul va fi o regiune cu sarcină pozitivă. Este format din trei quarci, care sunt de aproximativ o mie de ori mai mici decât el - cu siguranță nu îi vom vedea. Există o părere că, dacă acest obiect ipotetic este presărat cu cipuri magnetice, se va aduna în jurul centrului într-un nor sferic.

Electronul nu va fi vizibil. Nicio bilă nu va zbura în jurul nucleului atomic, „orbita” electronului este doar o regiune, în diferite puncte în care electronul poate fi localizat cu probabilități diferite. Vă puteți imagina asta ca pe o sferă cu diametrul unui stadion în jurul bobului nostru de mazăre. În puncte aleatorii din interiorul acestei sfere, un negativ incarcare electrica. Mai mult, o face atât de repede încât chiar și în orice moment nu are sens să vorbești despre locația sa specifică... da, este de neînțeles. Pur și simplu, nu „arata” deloc.

Este interesant, de altfel, că prin creșterea atomului la dimensiuni macroscopice, sperăm să-l „vedem” – adică să detectăm lumina reflectată de el. De fapt, atomii de dimensiuni obișnuite nu reflectă lumina; la scară atomică, vorbim despre interacțiunile dintre electroni și fotoni. Un electron poate absorbi un foton și poate trece la următorul nivel de energie, poate emite un foton și așa mai departe. Cu acest sistem mărit ipotetic la dimensiunea unui teren de fotbal, ar fi necesare prea multe presupuneri pentru a prezice comportamentul acestei structuri imposibile: ar avea un foton același efect asupra unui atom gigant? Este necesar să „privim” la el bombardând-o cu fotoni giganți speciali? Va emite fotoni giganți? Toate aceste întrebări sunt, strict vorbind, lipsite de sens. Cred, totuși, că este sigur să spun că atomul nu va reflecta lumina așa cum ar face-o o minge de metal.

După cum știți, tot materialul din Univers este format din atomi. Un atom este cea mai mică unitate de materie care își poartă proprietățile. La rândul său, structura unui atom este alcătuită dintr-o trinitate magică de microparticule: protoni, neutroni și electroni.

În plus, fiecare dintre microparticule este universală. Adică nu poți găsi doi protoni, neutroni sau electroni diferiți în lume. Toate sunt absolut asemănătoare între ele. Și proprietățile atomului vor depinde doar de compoziția cantitativă a acestor microparticule în structura generala atom.

De exemplu, structura unui atom de hidrogen constă dintr-un proton și un electron. Următorul ca complexitate, atomul de heliu este format din doi protoni, doi neutroni și doi electroni. Un atom de litiu este format din trei protoni, patru neutroni și trei electroni etc.

Structura atomilor (de la stânga la dreapta): hidrogen, heliu, litiu

Atomii se combină în molecule, iar moleculele se combină în substanțe, minerale și organisme. Molecula de ADN, care stă la baza oricărei vieți, este o structură asamblată din aceleași trei blocuri magice ale universului ca piatra aflată pe drum. Deși această structură este mult mai complexă.

Chiar mai mult fapte uimitoare deschis atunci când încercăm să aruncăm o privire mai atentă asupra proporțiilor și structurii sistemului atomic. Se știe că un atom este format dintr-un nucleu și electroni care se mișcă în jurul lui de-a lungul unei traiectorii care descrie o sferă. Adică nici nu poate fi numită mișcare în sensul obișnuit al cuvântului. Electronul este mai degrabă localizat peste tot și imediat în această sferă, creând un nor de electroni în jurul nucleului și formând un câmp electromagnetic.

Reprezentări schematice ale structurii atomului

Nucleul unui atom este format din protoni și neutroni și aproape întreaga masă a sistemului este concentrată în el. Dar, în același timp, nucleul în sine este atât de mic încât dacă îi creșteți raza la o scară de 1 cm, atunci raza întregii structuri a atomului va ajunge la sute de metri. Astfel, tot ceea ce percepem ca materie densă constă în mai mult de 99% din conexiunile energetice dintre particulele fizice singure și mai puțin de 1% din formele fizice în sine.

Dar care sunt aceste forme fizice? Din ce sunt făcute și din ce material sunt? Pentru a răspunde la aceste întrebări, să aruncăm o privire mai atentă asupra structurilor protonilor, neutronilor și electronilor. Deci, coborâm încă o treaptă în adâncurile microcosmosului - la nivelul particulelor subatomice.

Din ce este format un electron?

Cea mai mică particulă a unui atom este un electron. Un electron are masă, dar nu are volum. Din punct de vedere științific, electronul nu constă din nimic, ci este un punct fără structură.

Un electron nu poate fi văzut la microscop. Se observă doar sub forma unui nor de electroni, care arată ca o sferă neclară în jurul nucleului atomic. În același timp, este imposibil să spunem cu exactitate unde se află electronul la un moment dat. Dispozitivele sunt capabile să capteze nu particula în sine, ci doar urma sa de energie. Esența electronului nu este încorporată în conceptul de materie. Este mai degrabă ca o formă goală care există doar în și prin mișcare.

Nu a fost găsită încă nicio structură în electron. Este aceeași particulă punctuală ca și cuantumul energiei. De fapt, un electron este energie, cu toate acestea, aceasta este forma sa mai stabilă decât cea reprezentată de fotonii luminii.

În prezent, electronul este considerat indivizibil. Acest lucru este de înțeles, deoarece este imposibil să împărțiți ceva care nu are volum. Cu toate acestea, există deja evoluții în teorie, conform cărora compoziția unui electron conține o trinitate de cvasiparticule precum:

• Orbiton - conține informații despre poziția orbitală a electronului;
• Spinon - responsabil pentru spin sau cuplu;
• Holon - transportă informații despre sarcina unui electron.

Cu toate acestea, după cum vedem, cvasiparticulele nu au absolut nimic în comun cu materia și poartă doar informații.

Fotografii ale atomilor diferitelor substanțe într-un microscop electronic

Interesant este că un electron poate absorbi cuante de energie, cum ar fi lumina sau căldura. În acest caz, atomul se mută la un nou nivel de energie, iar granițele norului de electroni se extind. De asemenea, se întâmplă că energia absorbită de un electron este atât de mare încât poate sări din sistemul atomic și să își continue mișcarea ca o particulă independentă. În același timp, se comportă ca un foton al luminii, adică pare să înceteze să mai fie o particulă și începe să prezinte proprietățile unei unde. Acest lucru a fost dovedit într-un experiment.

Experimentul lui Young

În cursul experimentului, un flux de electroni a fost direcționat pe un ecran cu două fante tăiate în el. Trecând prin aceste fante, electronii s-au ciocnit cu suprafața altui ecran de proiecție, lăsându-și amprenta pe acesta. Ca urmare a acestui „bombardament” de către electroni, pe ecranul de proiecție a apărut un model de interferență, similar cu cel care ar apărea dacă undele, dar nu particulele, ar trece prin două fante.

Un astfel de model apare datorită faptului că valul, care trece între cele două fante, este împărțit în două valuri. Ca urmare a mișcării ulterioare, undele se suprapun și în unele zone se anulează reciproc. Ca rezultat, obținem multe dungi pe ecranul de proiecție, în loc de una, așa cum ar fi dacă electronul s-ar comporta ca o particulă.

Structura nucleului unui atom: protoni și neutroni

Protonii și neutronii formează nucleul unui atom. Și în ciuda faptului că în volumul total miezul ocupă mai puțin de 1%, în această structură este concentrată aproape întreaga masă a sistemului. Dar în detrimentul structurii protonilor și neutronilor, fizicienii sunt împărțiți în păreri, iar în acest moment există două teorii simultan.

• Teoria #1 - Standard

Modelul standard spune că protonii și neutronii sunt formați din trei quarci conectați printr-un nor de gluoni. Quarcii sunt particule punctiforme, la fel ca cuantele și electronii. Și gluonii sunt particule virtuale care asigură interacțiunea cuarcilor. Cu toate acestea, în natură nu s-au găsit nici quarci, nici gluoni, așa că acest model este supus unor critici severe.

• Teoria #2 - Alternativă

Dar, conform teoriei alternative a câmpului unificat dezvoltat de Einstein, protonul, ca și neutronul, ca orice altă particulă a lumii fizice, este un câmp electromagnetic care se rotește cu viteza luminii.

Câmpurile electromagnetice ale omului și ale planetei

Care sunt principiile structurii atomului?

Totul în lume - subtil și dens, lichid, solid și gazos - este doar stările energetice ale nenumăratelor câmpuri care pătrund în spațiul Universului. Cu cât nivelul de energie în câmp este mai mare, cu atât este mai subțire și mai puțin perceptibil. Cu cât nivelul de energie este mai scăzut, cu atât este mai stabil și mai tangibil. În structura atomului, precum și în structura oricărei alte unități a Universului, se află interacțiunea unor astfel de câmpuri - diferite ca densitate energetică. Se dovedește că materia este doar o iluzie a minții.