Однак сфотографувати сам атом, а не якусь його частину представлялося вкрай важким завданням навіть при використанні високотехнологічних пристроїв.

Справа в тому, що згідно з законами квантової механіки неможливо однаково точно визначити всі властивості субатомної частки. Цей розділ теоретичної фізики побудований за принципом невизначеності Гейзенберга, який свідчить, що неможливо однаково точно виміряти координати та імпульс частинки - точні виміри однієї властивості неодмінно змінять дані про інше.

Тому, замість того щоб визначати місцезнаходження (координати частки), квантова теоріяпропонує виміряти так звану хвильову функцію.

Хвильова функція працює майже так само, як і звукова хвиля. Відмінність лише тому, що математичний опис звукової хвилівизначає рух молекул у повітрі у певному місці, а хвильова функція описує ймовірність появи частки у тому чи іншому місці за рівнянням Шредінгера.

Виміряти хвильову функцію також непросто (прямі спостереження призводять до її колапсу), але фізики-теоретики можуть приблизно передбачити її значення.

Експериментально виміряти всі параметри хвильової функції можна тільки в тому випадку, якщо зібрати її з окремих руйнівних вимірів, проведених повністю ідентичних системах атомів або молекул.

Фізики з голландської дослідницького інституту AMOLF представили новий метод, який не вимагає жодних "перебудов", і опублікували результати своєї роботи в журналі Physical Review Letters. Їхня методика побудована на гіпотезі 1981 роки трьохрадянських фізиків-теоретиків, а також на пізніших дослідженнях.

У ході експерименту команда вчених направила два лазерні промені на атоми водню, поміщені в спеціальну камеру. Внаслідок такого впливу електрони залишили свої орбіти з тією швидкістю і в тому напрямку, що визначалися їх хвильовими функціями. Сильне електричне поле камері, де знаходилися атоми водню, направило електрони на певні частини планарного (плоського) детектора.

Положення електронів, що потрапляють на детектор, визначалося їхньою початковою швидкістю, а не позицією в камері. Таким чином, розподіл електронів на детекторі розповів вченим про хвильову функцію цих частинок, яка була у них, коли вони залишили орбіту біля ядра атома водню.

Рухи електронів відображалися на фосфоресцентному екрані у вигляді темних та світлих кілець, які вчені сфотографували цифровою камерою з високою роздільною здатністю.

"Ми дуже задоволені нашими результатами. Квантова механіка так мало має справу з повсякденним життям людей, що навряд чи хтось міг подумати про отримання реального фото квантових взаємодій в атомі", - говорить провідний автор дослідження Анета Стодолна (Aneta Stodolna). Також вона стверджує, що розроблена методика може мати і практичне застосування, наприклад, до створення провідників товщиною в атом, розвитку технології молекулярних проводів, що значно удосконалить сучасні електронні прилади.

"Примітно, що експеримент був проведений саме на водні — одночасно найпростішій і найпоширенішій речовині у нашому Всесвіті. Потрібно буде зрозуміти, чи можна застосувати цю методику для складніших атомів. Якщо так, то це великий прорив, який дозволить розвинути не тільки електроніку, але й нанотехнології", - каже Джеф Ландін (Jeff Lundeen) з університету Оттави, який не брав участі у дослідженні.

Втім, самі вчені, які проводили експеримент, не замислюються про практичний бік питання. Вони вважають, що їх відкриття в першу чергу стосується фундаментальній науціяка допоможе передати більше знань майбутнім поколінням фізиків.

Атом (від грецьк. «неподільний») - колись найдрібніша частка речовини мікроскопічних розмірів, найменша частина хімічного елементаяка носить його властивості. Складові атома - протони, нейтрони, електрони - цих властивостей не мають і утворюють в сукупності. Ковалентні атоми утворюють молекули. Вчені вивчають особливості атома, і хоча вони вже досить непогано вивчені, не втрачають можливості знайти щось нове - зокрема, у галузі створення нових матеріалів та нових атомів (що продовжують таблицю Менделєєва). 99,9% маси атома посідає ядро.

Не лякайтеся заголовка. Чорна діра, випадково створена співробітниками Національної прискорювальної лабораторії SLAC, вийшла розміром лише з один атом, тож нам ніщо не загрожує. Та й назва « Чорна діралише віддалено описує спостерігається дослідниками феномен. Ми неодноразово розповідали вам про найпотужніший у світі рентгенівському лазері, що носить назву

Справді, автор РТЧ у своїх «роздумах» зайшов так далеко, що можна викликати важку контраргументацію, а саме – дані експерименту японських учених з фотографування атома водню, про який стало відомо 4 листопада 2010 року. На знімку добре видно атомну форму, що підтверджує як дискретність, так і округлість атомів: «Група вчених і фахівців Токійського університету вперше у світі сфотографувала окремий атом водню – найлегший і найменший з усіх атомів, повідомляють інформагентства.

Знімок був зроблений за допомогою однієї з новітніх технологій- Спеціального скануючого електронного мікроскопа. За допомогою цього приладу разом із атомом водню було сфотографовано і окремий атом ванадію.
Діаметр атома водню становить одну десятимільярдну частину метра. Раніше вважалося, що сфотографувати його сучасним обладнанням практично неможливо. Водень є найпоширенішою речовиною. Його частка у всьому Всесвіті приблизно 90%.

За словами вчених, у такий же спосіб можна сфотографувати й інші елементарні частки. “Тепер ми можемо побачити всі атоми, з яких складається наш світ, – заявив професор Юїті Ікухара. – Це прорив до нових форм виробництва, коли в майбутньому можна буде приймати рішення на рівні окремих атомів та молекул» .

Атом водню, кольори умовні
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i21/e213001

Група вчених із Німеччини, Греції, Нідерландів, США та Франції отримала знімки атома водню. На цих зображеннях, отриманих за допомогою фотоіонізаційного мікроскопа, видно розподіл електронної густини, що повністю збігається з результатами теоретичних розрахунків. Робота міжнародної групи представлена ​​на сторінках Physical Review Letters.

Суть фотоіонізаційного методу полягає у послідовній іонізації атомів водню, тобто у відриві від них електрона за рахунок електромагнітного опромінення. Електрони, що відокремилися, направляються на чутливу матрицю через позитивно заряджене кільце, причому положення електрона в момент зіткнення з матрицею відображає положення електрона в момент іонізації атома. Заряджене кільце, що відхиляє електрони убік, відіграє роль лінзи і з його допомогою зображення збільшується в мільйони разів.

Цей метод, описаний у 2004 році, вже застосовувався для отримання «фотографій» окремих молекул, проте фізики пішли далі та використали фотоіонізаційний мікроскоп для дослідження атомів водню. Оскільки попадання одного електрона дає лише одну точку, дослідники накопичили близько 20 тисяч окремих електронів від різних атомів і склали усереднене зображення електронних оболонок.

Відповідно до законів квантової механіки, електрон в атомі не має якогось певного положення сам по собі. Лише при взаємодії атома із зовнішнім середовищем електрон з тією чи іншою ймовірністю проявляється в деякій околиці ядра атома: область, в якій ймовірність виявлення електрона максимальна, називається електронною оболонкою. На нових зображеннях видно різницю між атомами різних енергетичних станів; вчені змогли наочно продемонструвати форму передбачених квантовою механікою електронних оболонок.

За допомогою інших приладів, що сканують тунельних мікроскопів, окремі атоми можна побачити, а й перемістити у потрібне місце. Ця техніка близько місяця тому дозволила інженерам компанії IBM намалювати мультфільм, кожен кадр якого складений з атомів: подібні художні експерименти не мають практичного ефекту, але демонструють принципову можливість маніпуляцій з атомами. У прикладних цілях використовується вже не атомне складання, а хімічні процесиз самоорганізацією наноструктур або самообмеження зростання одноатомних шарів на підкладці.

Давайте спробуєм. Не думаю, що все написане нижче цілком справедливо, і я цілком міг щось упустити, але аналіз існуючих відповідей на подібні запитання та власні роздуми вишикувалися ось у що:

Візьмемо атом водню: один протон та один електрон на його орбіті.

Радіус атома водню - це радіус орбіти його електрона. У природі він дорівнює 53 пікометрам, тобто 53×10^-12 метра, ми ж хочемо збільшити його до 30×10^-2 метра – десь у 5 мільярдів разів.

Діаметр протона (тобто нашого атомного ядра) - 1.75×10^-15 м. Якщо збільшити його до бажаних розмірів, він виявиться розміром 1×10^-5 метра, тобто одна сота міліметра. Це невиразно неозброєним поглядом.

Давайте краще збільшимо протон одразу до розмірів горошини. Орбіта електрона виявиться тоді радіусом із футбольне поле.

Протон буде область позитивного заряду. Він складається з трьох кварків, які менші за нього приблизно в тисячу разів - їх ми точно не побачимо. Існує думка, що якщо посипати цей гіпотетичний об'єкт магнітною стружкою, вона збереться навколо центру у сферичну хмарку.

Електрон побачити не вийде. Ніяка кулька навколо атомного ядра літати не буде, «орбіта» електрона є лише областю, в різних точках якої електрон може перебувати з різною ймовірністю. Можна уявити це як сферу діаметром зі стадіон навколо нашої горошини. У випадкових точках усередині цієї сфери виникає і моментально зникає негативний електричний заряд. Причому робить це настільки швидко, що навіть у будь-який окремо взятий момент часу говорити про його конкретне розташування не має сенсу... так, це незбагненно. Простіше кажучи, це не «виглядає».

Цікаво, до речі, що, збільшивши атом до макроскопічних розмірів, ми сподіваємося його «побачити» - тобто засікти відбите від нього світло. Насправді атоми звичайних розмірів світло не відображають, мова в атомних масштабах йде про взаємодії між електронами та фотонами. Електрон може поглинути фотон і перейти на наступний енергетичний рівень, він може випустити фотон і таке інше. При гіпотетичному збільшенні цієї системи до розмірів футбольного поля знадобиться занадто багато припущень, щоб передбачити поведінку цієї неможливої ​​конструкції: чи фотон так само впливатиме на гігантський атом? Чи потрібно "дивитися" на нього, бомбардуючи його спеціальними гігантськими фотонами? Чи випромінюватиме він гіганські фотони? Всі ці питання, строго кажучи, не мають сенсу. Думаю, втім, можна з упевненістю сказати, що атом не відбиватиме світло так, як робила б це металева кулька.

Як відомо, все матеріальне у Всесвіті складається з атомів. Атом – це найдрібніша одиниця матерії, яка має її властивості. У свою чергу, структура атома складається з чарівної триєдності мікрочастинок: протонів, нейтронів та електронів.

При цьому кожна з мікрочастинок є універсальною. Тобто не знайти на світі двох різних протонів, нейтронів чи електронів. Усі вони абсолютно один на одного схожі. І властивості атома залежатимуть тільки від кількісного складу цих мікрочасток загальну будовуатома.

Наприклад, структура атома водню складається з одного протону та одного електрона. Наступний за складністю атом гелію складається з двох протонів, двох нейтронів і двох електронів. Атом літію — із трьох протонів, чотирьох нейтронів та трьох електронів тощо.

Структура атомів (зліва направо): водню, гелію, літію

Атоми з'єднуються в молекули, а молекули - в речовини, мінерали та організми. Молекула ДНК, яка є основою всього живого - структура, зібрана з тих же трьох чарівних цеглин світобудови, що і камінь, що лежить на дорозі. Хоча ця структура і набагато складніша.

Ще більше дивовижні фактивідкриваються тоді, коли ми намагаємося ближче розглянути пропорції та будову атомної системи. Відомо, що атом складається з ядра та електронів, що рухаються навколо нього траєкторією, що описує сферу. Тобто це навіть не можна назвати рухом у звичайному розумінні цього слова. Електрон швидше знаходиться скрізь і відразу в межах цієї сфери, створюючи навколо ядра електронну хмару та формуючи електромагнітне поле.

Схематичні зображення будови атома

Ядро атома складається з протонів та нейтронів, і в ньому зосереджена майже вся маса системи. Але при цьому саме ядро ​​настільки мало, що якщо збільшити його радіус до масштабу в 1 см, то радіус всієї структури атома досягне сотні метрів. Таким чином, усе, що ми сприймаємо як щільну матерію, більш ніж на 99% складається з одних лише енергетичних зв'язків між фізичними частинками і менш як 1% — із самих фізичних форм.

Але що є ці фізичні форми? З чого вони складаються і наскільки вони матеріальні? Щоб відповісти на ці запитання, розглянемо докладніше структури протонів, нейтронів і електронів. Отже, ми спускаємось ще на одну сходинку у глибини мікросвіту – на рівень субатомних частинок.

З чого складається електрон

Найменша частка атома - електрон. Електрон має масу, але при цьому не має об'єму. У науковому поданні електрон ні з чого не складається, а є безструктурною точкою.

Під мікроскопом електрон не можна побачити. Він спостерігається тільки у вигляді електронної хмари, яка виглядає як розмита сфера навколо атомного ядра. При цьому з точністю, де знаходиться електрон на момент часу, неможливо сказати. Прилади ж здатні сфотографувати не саму частинку, а лише її енергетичний слід. Суть електрона не вкладається у уявлення про матерію. Він скоріше подібний до певної порожній формі, що існує тільки в русі і за рахунок руху.

Жодної структури в електроні досі не було виявлено. Він є такою самою точковою частинкою, як і квант енергії. Фактично, електрон — і є енергія, проте це більш стійка її форма, ніж та, яка представлена ​​фотонами світла.

На даний момент електрон вважають неподільним. Це зрозуміло, адже неможливо розділити те, що немає обсягу. Однак у теорії вже є напрацювання, згідно з якими у складі електрона лежить триєдність таких квазічастинок як:

• Орбітон – містить інформацію про орбітальне становище електрона;
• Спінон – відповідальний за спину або обертальний момент;
• Холон – несе інформацію про заряд електрона.

Втім, як бачимо, квазічастинки з матерією вже не мають абсолютно нічого спільного, і несуть у собі лише одну інформацію.

Фото атомів різних речовин в електронний мікроскоп.

Цікаво, що електрон може поглинати кванти енергії, наприклад світла або тепла. У цьому випадку атом переходить на новий енергетичний рівень, а межі електронної хмари розширюються. Буває й таке, що енергія, що поглинається електроном, настільки велика, що він може вискочити з системи атома, і далі продовжити свій рух як незалежна частка. При цьому він поводиться подібно до фотона світла, тобто, він ніби перестає бути часткою і починає проявляти властивості хвилі. Це було підтверджено в експерименті.

Експеримент Юнга

У ході експерименту на екран з двома щілинами, що прорізали в ньому, був направлений потік електронів. Проходячи через ці прорізи, електрони стикалися з поверхнею ще одного – проекційного – екрану, залишаючи на ньому свій слід. В результаті такого «бомбардування» електронами на проекційному екрані з'являлася інтерференційна картина, подібна до тієї, яка з'явилася б, якби через два прорізи проходили б хвилі, але не частинки.

Такий малюнок виникає через те, що хвиля, проходячи між двома щілинами, ділиться на дві хвилі. В результаті подальшого руху хвилі накладаються одна на одну, і на деяких ділянках відбувається їхнє взаємне гасіння. В результаті ми отримуємо багато смуг на проекційному екрані замість однієї, як це було б, якби електрон поводився як частка.

Структура ядра атома: протони та нейтрони

Протони та нейтрони становлять ядро ​​атома. І при тому, що в загальному обсязі ядро ​​займає менше ніж 1%, саме в цій структурі зосереджена майже вся маса системи. А ось щодо структури протонів і нейтронів фізики розділилися в думках, і на даний момент існує відразу дві теорії.

• Теорія №1 - Стандартна

Стандартна модель говорить про те, що протони та нейтрони складаються з трьох кварків, з'єднаних між собою хмарою глюонів. Кварки є точковими частинками, так само, як кванти та електрони. А глюони – це віртуальні частки, які забезпечують взаємодію кварків. Однак у природі не було знайдено ні кварків, ні глюонов, тому ця модель піддається жорстокої критики.

• Теорія №2 - Альтернативна

А ось за альтернативною теорією єдиного поля, розробленою Ейнштейном, протон, як і нейтрон, як і будь-яка інша частка фізичного світу, є електромагнітним полем, що обертається зі швидкістю світла.

Електромагнітні поля людини та планети

Які ж принципи будови атома?

Все у світі – тонке і щільне, рідке, тверде та газоподібне – це лише енергетичні стани незліченних полів, що пронизують простір Всесвіту. Чим вище рівень енергії в полі, тим воно тонше і менш вловиме. Чим нижчий енергетичний рівень, тим він більш стійкий і відчутний. У структурі атома, як і структурі будь-якої іншої одиниці Всесвіту, лежить взаємодія таких полів – різних за енергетичною щільністю. Виходить, а матерія – лише ілюзія розуму.