Atóm vodíka zachytávajúci elektrónové oblaky. A hoci moderní fyzici Pomocou urýchľovačov môžu dokonca určiť tvar protónu, atóm vodíka zrejme zostane najmenším objektom, ktorého obraz má zmysel nazvať fotografiou. Lenta.ru prináša recenziu moderné metódy fotografovanie mikrosveta.

Prísne vzaté, v dnešnej dobe nezostala takmer žiadna obyčajná fotografia. Obrázky, ktoré bežne nazývame fotografiami a možno ich nájsť napríklad v ktorejkoľvek fotoreportáži Lenta.ru, sú v skutočnosti počítačové modely. Svetlocitlivá matica v špeciálnom zariadení (tradične sa naďalej nazýva „kamera“) určuje priestorové rozloženie intenzity svetla v niekoľkých rôznych spektrálnych rozsahoch, riadiaca elektronika tieto údaje uloží v digitálnej forme a následne ďalšie elektronický obvod Na základe týchto údajov dáva príkazy tranzistorom v displeji z tekutých kryštálov. Film, papier, špeciálne riešenia na ich spracovanie - to všetko sa stalo exotickým. A ak si pamätáme doslovný význam slova, potom fotografia je „maľovanie svetlom“. Čo teda môžeme povedať, že sa to vedcom podarilo fotografovať atóm, je možné len s primeraným množstvom konvencií.

Viac ako polovica všetkých astronomických snímok bola už dlho zhotovená infračervenými, ultrafialovými a röntgenovými ďalekohľadmi. Elektrónové mikroskopy ožarujú nie svetlom, ale lúčom elektrónov, zatiaľ čo mikroskopy atómovej sily dokonca skenujú reliéf vzorky ihlou. Existujú röntgenové mikroskopy a skenery magnetickej rezonancie. Všetky tieto zariadenia nám poskytujú presné obrazy rôznych predmetov a napriek tomu, že tu, samozrejme, nie je potrebné hovoriť o „maľovaní svetlom“, stále si dovolíme nazvať takéto obrazy fotografiami.

Experimenty fyzikov na určenie tvaru protónu alebo distribúcie kvarkov vo vnútri častíc zostanú v zákulisí; náš príbeh bude obmedzený na rozsah atómov.

Optika nikdy nezostarne

Ako sa ukázalo v druhej polovici 20. storočia, optické mikroskopy majú stále čo zlepšovať. Rozhodujúcim momentom v biologickom a medicínskom výskume bol nástup fluorescenčných farbív a metód, ktoré umožňujú selektívne označovanie určitých látok. Toto nebol „len nový náter“, bola to skutočná revolúcia.

Na rozdiel od všeobecného presvedčenia, fluorescencia vôbec nie je žiara v tme (druhá sa nazýva luminiscencia). Ide o fenomén absorpcie kvánt určitej energie (povedzme modrého svetla) s následným vyžarovaním iných kvánt s nižšou energiou a teda iného svetla (keď sa absorbuje modrá, vyžarujú sa zelené). Ak nainštalujete svetelný filter, ktorý prepúšťa iba kvantá emitované farbivom a blokuje svetlo, ktoré spôsobuje fluorescenciu, môžete vidieť tmavé pozadie s jasnými škvrnami farbív a farbivá zase dokážu zafarbiť vzorku mimoriadne selektívne.

Môžete napríklad maľovať cytoskelet nervová bunkačervená, synapsie zvýraznené zelenou farbou a jadro modrou. Môžete vytvoriť fluorescenčnú značku, ktorá vám za určitých podmienok umožní detekovať proteínové receptory na membráne alebo molekuly syntetizované bunkou. Imunohistochemická metóda farbenia priniesla revolúciu biologická veda. A keď sa genetickí inžinieri naučili vyrábať transgénne zvieratá pomocou fluorescenčných proteínov, táto metóda zažila znovuzrodenie: napríklad myši s farebnými rôzne farby neuróny.

Okrem toho inžinieri vymysleli (a praktizovali) metódu takzvanej konfokálnej mikroskopie. Jeho podstata spočíva v tom, že mikroskop zaostrí na veľmi tenkú vrstvu a špeciálna clona odreže osvetlenie vytvorené objektmi mimo tejto vrstvy. Takýto mikroskop dokáže sekvenčne skenovať vzorku zhora nadol a získať stoh obrázkov, čo je hotový základ pre trojrozmerný model.

Použitie laserov a komplex optické systémy lúčová kontrola umožnila vyriešiť problém vyhorenia farbív a sušenia jemných biologických vzoriek pod jasné svetlo: Laserový lúč skenuje vzorku len vtedy, keď je to potrebné na zobrazenie. A aby sme nestrácali čas a námahu skúmaním veľkého preparátu cez okulár s úzkym zorným poľom, inžinieri navrhli automatický systém skenovanie: na pódium moderného mikroskopu môžete položiť pohár so vzorkou a zariadenie nezávisle nasníma veľkoplošnú panorámu celej vzorky. Zároveň zaostrí na správne miesta a potom spojí dohromady veľa snímok.

Niektoré mikroskopy môžu obsahovať živé myši, potkany alebo aspoň malé bezstavovce. Iné poskytujú mierne zväčšenie, ale sú kombinované s röntgenovým prístrojom. Aby sa eliminovalo rušenie vibráciami, mnohé sú namontované na špeciálnych stoloch s hmotnosťou niekoľkých ton v miestnostiach so starostlivo kontrolovanou mikroklímou. Náklady na takéto systémy prevyšujú náklady na iné elektrónové mikroskopy a súťaže o najkrajší rám sa už dávno stali tradíciou. Okrem toho pokračuje zlepšovanie optiky: od vyhľadávania najlepšie odrody sklo a výber optimálnych kombinácií šošoviek inžinieri prešli na spôsoby zaostrenia svetla.

Konkrétne sme uviedli množstvo technických detailov, aby sme ukázali: pokrok v tejto oblasti biologický výskum sa už dlho spája s pokrokom v iných oblastiach. Ak by neexistovali počítače, ktoré by dokázali automaticky spočítať počet zafarbených buniek na niekoľkých stovkách fotografií, supermikroskopy by boli málo platné. A bez fluorescenčných farbív by boli všetky milióny buniek od seba na nerozoznanie, takže by bolo takmer nemožné sledovať vznik nových alebo odumieranie starých.

V skutočnosti bol prvým mikroskopom svorka s pripojenou sférickou šošovkou. Analóg takého mikroskopu môže byť jednoduchý hracia karta s dierou v nej a kvapkou vody. Podľa niektorých správ podobné zariadenia používali zlatokopi na Kolyme už v minulom storočí.

Za hranicou difrakcie

Optické mikroskopy majú zásadnú nevýhodu. Faktom je, že pomocou tvaru svetelných vĺn nie je možné rekonštruovať tvar tých predmetov, ktoré sa ukázali byť oveľa kratšie ako vlnová dĺžka: s rovnakým úspechom sa môžete pokúsiť preskúmať jemnú štruktúru materiálu rukou. hrubú zváračskú rukavicu.

Obmedzenia spôsobené difrakciou boli čiastočne prekonané bez porušenia fyzikálnych zákonov. Dve okolnosti pomáhajú optickým mikroskopom ponoriť sa pod difrakčnú bariéru: skutočnosť, že počas fluorescencie sú kvantá emitované jednotlivými molekulami farbiva (ktoré môžu byť od seba dosť vzdialené), a skutočnosť, že vďaka superpozícii svetelných vĺn je možné získať jasný bod s priemerom menším ako vlnová dĺžka.

Pri vzájomnom prekrytí sa svetelné vlny môžu navzájom rušiť, preto sú parametre osvetlenia vzorky nastavené tak, aby do svetlej oblasti spadala čo najmenšia plocha. V kombinácii s matematickými algoritmami, ktoré umožňujú napríklad odstrániť duchov v obraze, poskytuje takéto smerové osvetlenie prudké zvýšenie kvality snímania. Je možné napríklad skúmať intracelulárne štruktúry pomocou optického mikroskopu a dokonca (spojením opísanej metódy s konfokálnou mikroskopiou) získať ich trojrozmerné obrazy.

Elektrónový mikroskop k elektronickým zariadeniam

Aby vedci objavili atómy a molekuly, nemuseli sa na ne pozerať - molekulárnej teórie nepotreboval vidieť predmet. Ale mikrobiológia bola možná až po vynáleze mikroskopu. Preto sa mikroskopy spočiatku spájali špecificky s medicínou a biológiou: fyzici a chemici, ktorí študovali podstatne menšie predmety, si vystačili s inými prostriedkami. Keď sa chceli pozrieť na mikrosvet, difrakčné obmedzenia sa stali vážnym problémom, najmä preto, že metódy fluorescenčnej mikroskopie opísané vyššie boli stále neznáme. A nemá zmysel zvyšovať rozlíšenie z 500 na 100 nanometrov, ak je objekt, ktorý je potrebné preskúmať, ešte menší!

Fyzici z Nemecka, ktorí vedeli, že elektróny sa môžu správať ako vlna aj ako častica, vytvorili v roku 1926 elektrónovú šošovku. Myšlienka, z ktorej vychádza, bola veľmi jednoduchá a zrozumiteľná pre každého školáka: keďže elektromagnetické pole vychyľuje elektróny, dá sa pomocou neho zmeniť tvar lúča týchto častíc, roztiahnuť ich v rôznych smeroch, alebo naopak zmenšiť. priemer lúča. O päť rokov neskôr, v roku 1931, Ernst Ruska a Max Knoll zostrojili prvý elektrónový mikroskop na svete. V zariadení bola vzorka najskôr osvetlená lúčom elektrónov a potom elektrónová šošovka rozšírila lúč, ktorý prešiel predtým, ako dopadol na špeciálnu luminiscenčnú obrazovku. Prvý mikroskop poskytoval iba 400-násobné zväčšenie, no nahradenie svetla elektrónmi otvorilo cestu k fotografii so státisícovým zväčšením: konštruktéri museli prekonať len niekoľko technických prekážok.

Elektrónový mikroskop umožnil skúmať štruktúru buniek v dovtedy nedosiahnuteľnej kvalite. Ale z tohto obrázku nie je možné pochopiť vek buniek a prítomnosť určitých proteínov v nich a tieto informácie sú pre vedcov veľmi potrebné.

Elektrónové mikroskopy teraz umožňujú fotografie vírusov zblízka. Existujú rôzne modifikácie zariadení, ktoré umožňujú nielen osvetľovať tenké časti, ale aj ich skúmať v „odrazenom svetle“ (samozrejme v odrazených elektrónoch). Nebudeme hovoriť podrobne o všetkých variantoch mikroskopov, ale poznamenávame, že nedávno sa vedci naučili rekonštruovať obraz z difrakčného vzoru.

Dotýkať sa, nie pozerať

Ďalšia revolúcia nastala prostredníctvom ďalšieho odklonu od princípu „svetlo a vidieť“. Mikroskop atómovej sily, rovnako ako skenovací tunelový mikroskop, už na povrch vzoriek nič nesvieti. Namiesto toho sa po povrchu pohybuje obzvlášť tenká ihla, ktorá doslova poskakuje aj na nerovnostiach veľkosti jednotlivého atómu.

Bez toho, aby sme zachádzali do podrobností o všetkých takýchto metódach, poznamenávame hlavnú vec: ihlu tunelového mikroskopu je možné nielen pohybovať po povrchu, ale tiež ju použiť na preskupenie atómov z miesta na miesto. Vedci takto vytvárajú nápisy, kresby a dokonca aj karikatúry, v ktorých sa nakreslený chlapec hrá s atómom. Skutočný atóm xenónu ťahaný špičkou skenovacieho tunelového mikroskopu.

Tunelový mikroskop sa nazýva mikroskop, pretože využíva efekt tunelovacieho prúdu pretekajúceho ihlou: elektróny prechádzajú cez medzeru medzi ihlou a povrchom v dôsledku predpokladaného kvantová mechanika tunelový efekt. Toto zariadenie vyžaduje na prevádzku vákuum.

Mikroskop atómovej sily (AFM) je oveľa menej náročný na podmienky prostredia – môže (s množstvom obmedzení) pracovať bez odčerpávania vzduchu. V určitom zmysle je AFM nanotechnologickým nástupcom gramofónu. Ihla namontovaná na tenkej a flexibilnej konzole ( konzolový a je tam „držiak“), pohybuje sa po povrchu bez toho, aby naň pôsobilo napätím, a sleduje reliéf vzorky rovnakým spôsobom, ako gramofónová ihla sleduje drážky gramofónovej platne. Ohnutie konzoly spôsobí vychýlenie zrkadla na ňom namontovaného, ​​zrkadlo vychyľuje laserový lúč, čo umožňuje veľmi presne určiť tvar skúmanej vzorky. Hlavná vec je mať pomerne presný systém pohybu ihly a tiež zásobu ihiel, ktoré musia byť dokonale ostré. Polomer zakrivenia na špičkách takýchto ihiel nesmie presiahnuť jeden nanometer.

AFM vám umožňuje vidieť jednotlivé atómy a molekuly, ale podobne ako tunelový mikroskop vám neumožňuje pozerať sa pod povrch vzorky. Inými slovami, vedci si musia vybrať medzi tým, že budú môcť vidieť atómy a budú schopní študovať celý objekt. Avšak ani pre optické mikroskopy nie sú vnútro skúmaných vzoriek vždy prístupné, pretože minerály alebo kovy zvyčajne neprepúšťajú svetlo dobre. Okrem toho stále existujú ťažkosti s fotografovaním atómov - tieto objekty sa javia ako jednoduché gule, tvar elektrónových oblakov nie je na takýchto snímkach viditeľný.

Synchrotrónové žiarenie, ku ktorému dochádza pri spomaľovaní nabitých častíc urýchľovaných urýchľovačmi, umožňuje študovať fosílne pozostatky prehistorických zvierat. Otáčanie vzorky pod röntgenových lúčov môžeme získať trojrozmerné tomogramy – takto sa napríklad našiel mozog v lebke rýb, ktoré vyhynuli pred 300 miliónmi rokov. Je možné sa zaobísť bez rotácie, ak sa prenášané žiarenie zaznamenáva záznamom röntgenových lúčov rozptýlených v dôsledku difrakcie.

A to nie sú všetky príležitosti, ktoré sa otvárajú röntgenového žiarenia. Pri jej ožiarení mnoho materiálov fluoreskuje a podľa povahy fluorescencie sa dá určiť chemické zloženie látky: takto vedci farbia staroveké artefakty, v stredoveku vymazané diela Archimeda, či farbia perie dávno vyhynutých vtákov.

Atómy predstavujú

Na pozadí všetkých možností, ktoré röntgenové alebo opticko-fluorescenčné metódy poskytujú, Nová cesta fotografovanie jednotlivých atómov už nevyzerá ako taký veľký prelom vo vede. Podstata metódy, ktorá umožnila získať snímky prezentované tento týždeň, je nasledovná: elektróny sú zbavené ionizovaných atómov a odoslané do špeciálneho detektora. Každý akt ionizácie odstraňuje elektrón z určitej polohy a dáva jeden bod na „fotografii“. Po nahromadení niekoľkých tisíc takýchto bodov vedci vytvorili obrázok zobrazujúci najpravdepodobnejšie miesta na detekciu elektrónu okolo jadra atómu, a to je podľa definície elektrónový oblak.

Na záver, možnosť vidieť jednotlivé atómy s ich elektrónovými oblakmi je skôr čerešničkou na torte modernej mikroskopie. Pre vedcov bolo dôležité študovať štruktúru materiálov, študovať bunky a kryštály a výsledný vývoj technológie umožnil dosiahnuť atóm vodíka. Čokoľvek menej je už sférou záujmu špecialistov na fyziku elementárnych častíc. A biológovia, materiáloví vedci a geológovia majú stále priestor na vylepšovanie mikroskopov, a to aj s pomerne miernym zväčšením v porovnaní s pozadím atómov. Napríklad špecialisti na neurofyziológiu už dlho chceli mať zariadenie schopné vidieť jednotlivé bunky vo vnútri živého mozgu a tvorcovia marťanských roverov by predali svoje duše za elektrónový mikroskop, ktorý by sa zmestil na palubu. kozmická loď a mohol by pracovať na Marse.

Fotografovanie samotného atómu, a nie hocijakej jeho časti, sa však zdalo byť mimoriadne náročnou úlohou aj pri použití najmodernejších zariadení.

Faktom je, že podľa zákonov kvantovej mechaniky nie je možné rovnako presne určiť všetky vlastnosti subatomárnej častice. Táto sekcia teoretickej fyziky postavené na Heisenbergovom princípe neurčitosti, ktorý hovorí, že nie je možné zmerať súradnice a hybnosť častice rovnako presne - presné merania jednej vlastnosti určite zmenia údaje o druhej.

Preto namiesto určenia polohy (súradníc častíc), kvantová teória navrhuje merať takzvanú vlnovú funkciu.

Vlnová funkcia funguje takmer rovnako ako zvuková vlna. Jediný rozdiel je v tom matematický popis zvuková vlna určuje pohyb molekúl vo vzduchu v určité miesto a vlnová funkcia popisuje pravdepodobnosť výskytu častice na určitom mieste podľa Schrödingerovej rovnice.

Meranie vlnovej funkcie je tiež náročné (priame pozorovania vedú k jej kolapsu), no teoretickí fyzici vedia približne predpovedať jej hodnoty.

Experimentálne je možné merať všetky parametre vlnovej funkcie iba vtedy, ak sú získané zo samostatných deštruktívnych meraní uskutočnených na úplne identických systémoch atómov alebo molekúl.

Fyzici z holandského výskumného inštitútu AMOLF predstavili novú metódu, ktorá si nevyžaduje žiadne „prestavby“ a výsledky svojej práce publikovali v časopise Physical Review Letters. Ich technika je založená na hypotéze z roku 1981 tri roky starý sovietskych teoretických fyzikov, ako aj na neskorší výskum.

Počas experimentu tím vedcov nasmeroval dva laserové lúče na atómy vodíka umiestnené v špeciálnej komore. V dôsledku tohto dopadu elektróny opustili svoje obežné dráhy rýchlosťou a smerom určenými ich vlnovými funkciami. Silný elektrické pole v komore obsahujúcej atómy vodíka smerovali elektróny do určitých častí planárneho (plochého) detektora.

Poloha elektrónov dopadajúcich na detektor bola určená ich počiatočná rýchlosť, a nie polohu vo fotoaparáte. Distribúcia elektrónov na detektore teda vedcom povedala o vlnovej funkcii týchto častíc, ktoré mali, keď opustili obežnú dráhu okolo jadra atómu vodíka.

Pohyby elektrónov sa zobrazovali na fosforeskujúcej obrazovke v podobe tmavých a svetlých prstencov, ktoré vedci odfotografovali digitálnym fotoaparátom s vysokým rozlíšením.

"S našimi výsledkami sme veľmi spokojní. Kvantová mechanika má tak málo spoločného." každodenný životľudí, že sotva niekoho napadne získať skutočnú fotografiu kvantových interakcií v atóme,“ hovorí vedúca autorka štúdie Aneta Stodolná. praktické využitie, napríklad na vytvorenie vodičov s hrúbkou atómu, vývoj technológie molekulárnych drôtov, ktorá výrazne zlepší moderné elektronické zariadenia.

"Je pozoruhodné, že experiment sa uskutočnil špecificky na vodíku - súčasne najjednoduchšej a najbežnejšej látke v našom vesmíre. Bude potrebné pochopiť, či sa táto technika dá použiť na zložitejšie atómy. Ak áno, potom toto je veľkým prelomom, ktorý nám umožní vyvinúť nielen elektroniku, ale aj nanotechnológiu,“ hovorí Jeff Lundeen z University of Ottawa, ktorý sa na štúdii nezúčastnil.

Samotní vedci, ktorí experiment uskutočnili, však neuvažujú praktická stránka otázka. Veria, že ich objav sa týka predovšetkým základná veda, ktorá pomôže odovzdať ďalšie poznatky ďalším generáciám fyzikov.

Ako viete, všetko hmotné vo vesmíre pozostáva z atómov. Atóm je najmenšia jednotka hmoty, ktorá nesie jeho vlastnosti. Štruktúru atómu zase tvorí magická trojica mikročastíc: protóny, neutróny a elektróny.

Navyše, každá z mikročastíc je univerzálna. To znamená, že na svete nemôžete nájsť dva rôzne protóny, neutróny alebo elektróny. Všetky sú si navzájom absolútne podobné. A vlastnosti atómu budú závisieť len od kvantitatívneho zloženia týchto mikročastíc v všeobecná štruktúra atóm.

Napríklad štruktúra atómu vodíka pozostáva z jedného protónu a jedného elektrónu. Ďalší najzložitejší atóm, hélium, pozostáva z dvoch protónov, dvoch neutrónov a dvoch elektrónov. Atóm lítia sa skladá z troch protónov, štyroch neutrónov a troch elektrónov atď.

Atómová štruktúra (zľava doprava): vodík, hélium, lítium

Atómy sa spájajú a vytvárajú molekuly a molekuly sa spájajú a vytvárajú látky, minerály a organizmy. Molekula DNA, ktorá je základom všetkých živých vecí, je štruktúra zostavená z rovnakých troch magických tehál vesmíru ako kameň ležiaci na ceste. Aj keď je táto štruktúra oveľa zložitejšia.

Ešte viac úžasné fakty sa odhalia, keď sa pokúsime bližšie pozrieť na proporcie a štruktúru atómového systému. Je známe, že atóm pozostáva z jadra a elektrónov, ktoré sa okolo neho pohybujú po trajektórii opisujúcej guľu. To znamená, že sa to ani nedá nazvať pohybom v obvyklom zmysle slova. Elektrón sa skôr nachádza všade a bezprostredne v tejto sfére, vytvára elektrónový oblak okolo jadra a vytvára elektromagnetické pole.

Schematické znázornenia štruktúry atómu

Jadro atómu pozostáva z protónov a neutrónov a je v ňom sústredená takmer všetka hmota systému. Ale zároveň je samotné jadro také malé, že ak sa jeho polomer zväčší na mierku 1 cm, potom polomer celej atómovej štruktúry dosiahne stovky metrov. Všetko, čo vnímame ako hustú hmotu, teda pozostáva z viac ako 99 % iba z energetické prepojenia medzi fyzickými časticami a menej ako 1 % zo samotných fyzikálnych foriem.

Ale čo sú tieto fyzické formy? Z čoho sú vyrobené a z akého sú materiálu? Aby sme na tieto otázky odpovedali, pozrime sa bližšie na štruktúry protónov, neutrónov a elektrónov. Zostupujeme teda ešte o krok do hlbín mikrosveta – na úroveň subatomárnych častíc.

Z čoho pozostáva elektrón?

Najmenšia častica atómu je elektrón. Elektrón má hmotnosť, ale nemá objem. Vo vedeckej koncepcii sa elektrón neskladá z ničoho, ale je to bod bez štruktúry.

Elektrón nie je možné vidieť pod mikroskopom. Je viditeľný iba vo forme elektrónového oblaku, ktorý vyzerá ako rozmazaná guľa okolo atómového jadra. Zároveň nie je možné s presnosťou povedať, kde sa elektrón v danom okamihu nachádza. Prístroje sú schopné zachytiť nie samotnú časticu, ale iba jej energetickú stopu. Podstata elektrónu nie je zakotvená v koncepte hmoty. Je to skôr ako nejaká prázdna forma, ktorá existuje len v pohybe a vďaka pohybu.

Žiadna štruktúra v elektróne ešte nebola objavená. Je to rovnaká bodová častica ako energetické kvantum. Elektrón je v skutočnosti energia, je však jej stabilnejšou formou ako tá, ktorú predstavujú fotóny svetla.

IN v súčasnosti Elektrón sa považuje za nedeliteľný. Je to pochopiteľné, pretože nie je možné rozdeliť niečo, čo nemá objem. Avšak teória už má vývoj, podľa ktorého elektrón obsahuje trojicu takých kvázičastíc ako:

  • Orbiton – obsahuje informácie o orbitálnej polohe elektrónu;
  • Spinon – zodpovedný za rotáciu alebo krútiaci moment;
  • Holón – nesie informáciu o náboji elektrónu.

Ako však vidíme, kvázičastice nemajú s hmotou absolútne nič spoločné a nesú len informáciu.

Fotografie atómov rôzne látky v elektrónovom mikroskope

Je zaujímavé, že elektrón dokáže absorbovať kvantá energie, ako je svetlo alebo teplo. V tomto prípade sa atóm presunie na nový energetická úroveň a hranice elektrónového oblaku sa rozširujú. Stáva sa tiež, že energia absorbovaná elektrónom je taká veľká, že môže vyskočiť z atómového systému a pokračovať vo svojom pohybe ako samostatná častica. Zároveň sa správa ako fotón svetla, to znamená, že sa zdá, že prestáva byť časticou a začína vykazovať vlastnosti vlny. To bolo dokázané v experimente.

Jungov experiment

Počas experimentu bol prúd elektrónov nasmerovaný na sito s dvomi vyrezanými štrbinami. Elektróny, ktoré prešli týmito štrbinami, sa zrazili s povrchom iného projekčného plátna a zanechali na ňom svoju stopu. V dôsledku tohto „bombardovania“ elektrónov sa na projekčnej obrazovke objavil interferenčný obrazec podobný tomu, ktorý by sa objavil, keby cez dve štrbiny prešli vlny, ale nie častice.

Tento vzor nastáva, pretože vlna prechádzajúca medzi dvoma štrbinami je rozdelená na dve vlny. V dôsledku ďalšieho pohybu sa vlny navzájom prekrývajú a v niektorých oblastiach sa navzájom rušia. Výsledkom je veľa čiar na projekčnej ploche namiesto jednej, ako by to bolo v prípade, keby sa elektrón správal ako častica.

Štruktúra jadra atómu: protóny a neutróny

Protóny a neutróny tvoria jadro atómu. A napriek tomu, že jadro zaberá menej ako 1% celkového objemu, práve v tejto štruktúre je sústredená takmer celá hmota systému. Fyzici sa však rozchádzajú v štruktúre protónov a neutrónov a tento moment Existujú dve teórie naraz.

  • Teória č. 1 - Štandard

Štandardný model hovorí, že protóny a neutróny sa skladajú z troch kvarkov spojených oblakom gluónov. Kvarky sú bodové častice, rovnako ako kvantá a elektróny. A gluóny sú virtuálne častice, ktoré zabezpečujú interakciu kvarkov. V prírode sa však nikdy nenašli ani kvarky, ani gluóny, takže tento model podlieha ostrej kritike.

  • Teória č. 2 - Alternatíva

Ale podľa alternatívnej teórie zjednoteného poľa vyvinutej Einsteinom, protón, ako neutrón, ako každá iná častica fyzický svet, je elektromagnetické pole rotujúce rýchlosťou svetla.

Elektromagnetické polia človeka a planéty

Aké sú princípy štruktúry atómu?

Všetko na svete - tenké a husté, kvapalné, pevné a plynné - sú len energetické stavy nespočetných polí, ktoré prenikajú priestorom Vesmíru. Čím vyššia je úroveň energie v poli, tým je tenšia a menej vnímateľná. Čím je hladina energie nižšia, tým je stabilnejšia a hmatateľnejšia. Štruktúra atómu, rovnako ako štruktúra ktorejkoľvek inej jednotky Vesmíru, spočíva v interakcii takýchto polí - odlišných v hustote energie. Ukazuje sa, že hmota je len ilúziou mysle.

V skutočnosti autor RTCh zašiel vo svojich „úvahách“ tak ďaleko, že je načase vyvolať silnú protiargumentáciu, konkrétne údaje z experimentu japonských vedcov na fotografovanie atómu vodíka, ktorý sa stal známym 4. novembra. , 2010. Jasne viditeľné na fotke atómová forma, čo potvrdzuje diskrétnosť a guľatosť atómov: „Skupina vedcov a špecialistov z Tokijskej univerzity prvýkrát na svete odfotografovala individuálny atóm vodíka – najľahší a najmenší zo všetkých atómov, uvádzajú tlačové agentúry.

Fotografia bola urobená pomocou jedného z najnovšie technológie- špeciálne skenovanie elektrónový mikroskop. Pomocou tohto zariadenia bol odfotografovaný samostatný atóm vanádu spolu s atómom vodíka.
Priemer atómu vodíka je jedna desaťmiliardtina metra. Predtým sa verilo, že je takmer nemožné odfotografovať ho pomocou moderného vybavenia. Najbežnejšou látkou je vodík. Jeho podiel v celom vesmíre je približne 90%.

Podľa vedcov sa rovnakým spôsobom dajú zachytiť aj ďalšie elementárne častice. "Teraz môžeme vidieť všetky atómy, ktoré tvoria náš svet," povedal profesor Yuichi Ikuhara. "Je to prielom k novým formám výroby, keď v budúcnosti bude možné robiť rozhodnutia na úrovni jednotlivých atómov a molekúl."

Atóm vodíka, relatívne farby
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i21/e213001

Skupina vedcov z Nemecka, Grécka, Holandska, USA a Francúzska odfotila atóm vodíka. Tieto obrázky získané pomocou fotoionizačného mikroskopu ukazujú distribúciu elektrónovej hustoty, ktorá je úplne v súlade s výsledkami teoretických výpočtov. Práca medzinárodného tímu je prezentovaná na stránkach Physical Review Letters.

Podstatou metódy fotoionizácie je sekvenčná ionizácia atómov vodíka, to znamená odstránenie elektrónu z nich v dôsledku elektromagnetického ožiarenia. Oddelené elektróny sú nasmerované do citlivej matrice cez kladne nabitý kruh a poloha elektrónu v okamihu zrážky s matricou odráža polohu elektrónu v okamihu ionizácie atómu. Nabitý prstenec, ktorý vychyľuje elektróny do strany, funguje ako šošovka a s jej pomocou sa obraz zväčší miliónkrát.

Táto metóda, opísaná v roku 2004, sa už používala na „fotografovanie“ jednotlivých molekúl, ale fyzici zašli ďalej a na štúdium atómov vodíka použili fotoionizačný mikroskop. Keďže dopad jedného elektrónu vytvára iba jeden bod, výskumníci nazhromaždili asi 20 tisíc jednotlivých elektrónov z rôznych atómov a zostavili priemerný obraz elektrónových obalov.

V súlade so zákonmi kvantová mechanika elektrón v atóme sám o sebe nemá žiadnu špecifickú polohu. Iba vtedy, keď atóm interaguje vonkajšie prostredie elektrón sa s jednou alebo druhou pravdepodobnosťou objaví v určitom susedstve atómového jadra: oblasť, v ktorej je pravdepodobnosť detekcie elektrónu maximálna, sa nazýva elektrónový obal. Nové obrázky ukazujú rozdiely medzi atómami rôznych energetických stavov; Vedcom sa podarilo jasne demonštrovať tvar elektrónových obalov predpovedaný kvantovou mechanikou.

Pomocou ďalších zariadení, skenovacích tunelových mikroskopov, možno jednotlivé atómy nielen vidieť, ale aj presunúť na požadované miesto. Asi pred mesiacom táto technika umožnila inžinierom IBM nakresliť karikatúru, ktorej každý rám pozostáva z atómov: takéto umelecké experimenty nemajú žiadny praktický efekt, ale demonštrujú zásadnú možnosť manipulácie s atómami. Na aplikačné účely sa už nepoužíva atómová montáž, ale chemické procesy so samoorganizáciou nanoštruktúr alebo samoobmedzovaním rastu monatomických vrstiev na substráte.

Na tejto fotografii sa pozeráte na prvý priamy obraz obežných dráh elektrónu okolo atómu - v skutočnosti vlnovú funkciu atómu!

Ak chcete získať fotografiu orbitálna štruktúra atóm vodíka, vedci použili nový kvantový mikroskop - neuveriteľné zariadenie, ktoré umožňuje vedcom nahliadnuť do oblasti kvantovej fyziky.

Orbitálna štruktúra priestoru v atóme je obsadená elektrónom. Ale pri opise týchto mikroskopických vlastností hmoty sa vedci spoliehajú na vlnové funkcie – matematické spôsoby opisu kvantových stavov častíc – konkrétne na to, ako sa správajú v priestore a čase.

V kvantovej fyzike sa na opis stavov častíc spravidla používajú vzorce ako Schrödingerova rovnica.

Prekážky na ceste výskumníkov

Až doteraz vedci nikdy v skutočnosti nepozorovali vlnovú funkciu. Pokúšať sa zachytiť presnú polohu alebo hybnosť jediného elektrónu bolo ako pokúšať sa chytiť roj múch. Priame pozorovania boli skreslené veľmi nepríjemným javom – kvantovou koherenciou.

Na meranie všetkých kvantových stavov potrebujete nástroj, ktorý dokáže vykonať viacero meraní stavov častice v priebehu času.

Ako však zvýšiť už mikroskopický stav kvantovej častice? Skupina medzinárodných výskumníkov našla odpoveď. Pomocou kvantového mikroskopu, zariadenia, ktoré využíva fotoionizáciu na priame pozorovanie atómových štruktúr.

Aneta Stodolna, pracujúca v Inštitúte molekulárnej fyziky (AMOLF) v Holandsku, vo svojom článku v populárnom časopise Physical Review Letters vysvetľuje, ako so svojím tímom získala štruktúry uzlov. elektrónové orbitály atóm vodíka umiestnený v statickom elektrickom poli.

Pracovná metóda

Po ožiarení laserovými impulzmi opustili ionizované elektróny svoje dráhy a po meranej trajektórii dopadli do 2D detektora (dvojitá mikrokanálová platňa. Detektor je umiestnený kolmo na samotné pole). Existuje mnoho trajektórií, po ktorých môžu elektróny cestovať pred zrážkou s detektorom. To poskytuje výskumníkom súbor interferenčných vzorov - modelov, ktoré odrážajú uzlovú štruktúru vlnovej funkcie.
Vedci použili elektrostatickú šošovku, ktorá zväčšuje odchádzajúce elektrónové vlny viac ako 20 000-krát.