De hecho, el autor de RTCh ha ido tan lejos en sus “reflexiones” que es hora de provocar una fuerte contraargumentación, a saber, los datos de un experimento realizado por científicos japoneses para fotografiar el átomo de hidrógeno, que se conoció el 4 de noviembre. , 2010. La imagen muestra claramente la forma atómica, confirmando tanto la discreción como la redondez de los átomos: “Un grupo de científicos y especialistas de la Universidad de Tokio fotografiaron por primera vez en el mundo un átomo de hidrógeno individual, el más ligero y el más pequeño de todos los átomos. informan las agencias de noticias.
La fotografía fue tomada utilizando una de las últimas tecnologías: un microscopio electrónico de barrido especial. Con este dispositivo, se fotografió un átomo de vanadio separado junto con un átomo de hidrógeno.
El diámetro de un átomo de hidrógeno es una diezmilmillonésima parte de un metro. Anteriormente se creía que era casi imposible fotografiarlo con equipos modernos. El hidrógeno es la sustancia más común. Su participación en todo el Universo es aproximadamente del 90%.
Según los científicos, de la misma forma se pueden capturar otras partículas elementales. "Ahora podemos ver todos los átomos que componen nuestro mundo", afirmó el profesor Yuichi Ikuhara. "Se trata de un avance hacia nuevas formas de producción, cuando en el futuro será posible tomar decisiones a nivel de átomos y moléculas individuales".
Átomo de hidrógeno, colores relativos.
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i21/e213001
Un grupo de científicos de Alemania, Grecia, Países Bajos, Estados Unidos y Francia tomaron fotografías del átomo de hidrógeno. Estas imágenes, obtenidas mediante un microscopio de fotoionización, muestran una distribución de densidad electrónica que es completamente consistente con los resultados de los cálculos teóricos. El trabajo del equipo internacional se presenta en las páginas de Physical Review Letters.
La esencia del método de fotoionización es la ionización secuencial de átomos de hidrógeno, es decir, la eliminación de un electrón de ellos debido a la irradiación electromagnética. Los electrones separados se dirigen a la matriz sensible a través de un anillo cargado positivamente, y la posición del electrón en el momento de la colisión con la matriz refleja la posición del electrón en el momento de la ionización del átomo. El anillo cargado, que desvía los electrones hacia un lado, actúa como una lente y con su ayuda la imagen se amplía millones de veces.
Este método, descrito en 2004, ya se había utilizado para tomar “fotografías” de moléculas individuales, pero los físicos fueron más allá y utilizaron un microscopio de fotoionización para estudiar los átomos de hidrógeno. Dado que el impacto de un electrón produce solo un punto, los investigadores acumularon alrededor de 20 mil electrones individuales de diferentes átomos y compilaron una imagen promedio de las capas de electrones.
Según las leyes de la mecánica cuántica, el electrón en un átomo no tiene por sí solo ninguna posición específica. Sólo cuando un átomo interactúa con el entorno externo aparece un electrón con una probabilidad u otra en una determinada vecindad del núcleo atómico: la región en la que la probabilidad de detectar un electrón es máxima se llama capa de electrones. Las nuevas imágenes muestran diferencias entre átomos de diferentes estados energéticos; Los científicos pudieron demostrar claramente la forma de las capas de electrones predicha por la mecánica cuántica.
Con la ayuda de otros dispositivos, como los microscopios de efecto túnel, no sólo se pueden ver átomos individuales, sino también moverlos al lugar deseado. Hace aproximadamente un mes, esta técnica permitió a los ingenieros de IBM dibujar una caricatura, cada cuadro del cual está compuesto de átomos: estos experimentos artísticos no tienen ningún efecto práctico, pero demuestran la posibilidad fundamental de manipular átomos. Para fines aplicados, ya no se utiliza ensamblaje atómico, sino procesos químicos con autoorganización de nanoestructuras o autolimitación del crecimiento de capas monoatómicas sobre el sustrato.
Un átomo de hidrógeno que captura nubes de electrones. Y aunque los físicos modernos, utilizando aceleradores, pueden incluso determinar la forma de un protón, el átomo de hidrógeno, aparentemente, seguirá siendo el objeto más pequeño cuya imagen tiene sentido llamar fotografía. Lenta.ru presenta una descripción general de los métodos modernos para fotografiar el micromundo.
Estrictamente hablando, hoy en día casi no queda fotografía ordinaria. Las imágenes que habitualmente llamamos fotografías y que podemos encontrar, por ejemplo, en cualquier reportaje fotográfico de Lenta.ru, son en realidad modelos informáticos. Una matriz sensible a la luz en un dispositivo especial (tradicionalmente se le sigue llamando "cámara") determina la distribución espacial de la intensidad de la luz en varios rangos espectrales diferentes, la electrónica de control almacena estos datos en forma digital y luego otro circuito electrónico, En base a estos datos, da una orden a los transistores en la pantalla de cristal líquido. Películas, papel, soluciones especiales para su procesamiento: todo esto se ha vuelto exótico. Y si recordamos el significado literal de la palabra, entonces fotografía es “pintura con luz”. Entonces, ¿qué podemos decir que los científicos lograron? fotografiarátomo, sólo es posible con bastante convención.
Más de la mitad de todas las imágenes astronómicas se han tomado desde hace mucho tiempo con telescopios de infrarrojos, ultravioleta y rayos X. Los microscopios electrónicos no irradian con luz, sino con un haz de electrones, mientras que los microscopios de fuerza atómica incluso exploran el relieve de la muestra con una aguja. Hay microscopios de rayos X y escáneres de imágenes por resonancia magnética. Todos estos dispositivos nos brindan imágenes precisas de varios objetos y, a pesar de que, por supuesto, aquí no es necesario hablar de "pintura con luz", todavía nos permitiremos llamar fotografías a esas imágenes.
Los experimentos de los físicos para determinar la forma del protón o la distribución de los quarks en el interior de las partículas quedarán en un segundo plano; Nuestra historia se limitará a la escala de los átomos.
La óptica nunca pasa de moda
Como resultó en la segunda mitad del siglo XX, los microscopios ópticos todavía tienen margen de mejora. Un momento decisivo en la investigación biológica y médica fue la aparición de tintes fluorescentes y métodos que permiten el etiquetado selectivo de determinadas sustancias. Esto no fue "sólo una nueva capa de pintura", fue una verdadera revolución.
Contrariamente a la creencia popular, la fluorescencia no es en absoluto un brillo en la oscuridad (esto último se llama luminiscencia). Se trata del fenómeno de absorción de cuantos de una determinada energía (digamos, luz azul) con la posterior emisión de otros cuantos de menor energía y, en consecuencia, otra luz (cuando se absorbe azul, se emitirán verdes). Si instala un filtro de luz que transmite solo los cuantos emitidos por el tinte y bloquea la luz que causa la fluorescencia, puede ver un fondo oscuro con puntos brillantes de tintes, y los tintes, a su vez, pueden colorear la muestra de manera extremadamente selectiva.
Por ejemplo, puedes pintar el citoesqueleto de una célula nerviosa de rojo, las sinapsis de verde y el núcleo de azul. Se puede fabricar una etiqueta fluorescente que permitirá detectar receptores de proteínas en la membrana o moléculas sintetizadas por la célula en determinadas condiciones. El método de tinción inmunohistoquímica ha revolucionado la ciencia biológica. Y cuando los ingenieros genéticos aprendieron a fabricar animales transgénicos con proteínas fluorescentes, este método experimentó un renacimiento: por ejemplo, los ratones con neuronas pintadas de diferentes colores se hicieron realidad.
Además, los ingenieros idearon (y practicaron) el método de la llamada microscopía confocal. Su esencia radica en el hecho de que el microscopio enfoca una capa muy delgada y un diafragma especial corta la iluminación creada por los objetos fuera de esta capa. Un microscopio de este tipo puede escanear secuencialmente una muestra de arriba a abajo y obtener una pila de imágenes, que es una base preparada para un modelo tridimensional.
El uso de láseres y sofisticados sistemas de control de rayos ópticos ha resuelto el problema de la decoloración de los tintes y el secado de muestras biológicas delicadas bajo luz brillante: el rayo láser escanea la muestra sólo cuando es necesario para obtener imágenes. Y para no perder tiempo y esfuerzo examinando una muestra grande a través de un ocular con un campo de visión estrecho, los ingenieros propusieron un sistema de escaneo automático: se puede colocar un vaso con una muestra en la platina de un microscopio moderno y el dispositivo tomar de forma independiente un panorama a gran escala de toda la muestra. Al mismo tiempo, se enfocará en los lugares correctos y luego unirá muchos fotogramas.
Algunos microscopios pueden contener ratones, ratas o al menos pequeños animales invertebrados vivos. Otros proporcionan un ligero aumento, pero se combinan con una máquina de rayos X. Para eliminar las interferencias de las vibraciones, muchos se montan sobre mesas especiales que pesan varias toneladas dentro de habitaciones con un microclima cuidadosamente controlado. El coste de estos sistemas supera el de otros microscopios electrónicos y los concursos por el marco más bonito se han convertido desde hace mucho tiempo en una tradición. Además, la óptica continúa mejorando: desde la búsqueda de los mejores tipos de vidrio y la selección de combinaciones óptimas de lentes, los ingenieros han pasado a buscar formas de enfocar la luz.
Hemos enumerado específicamente una serie de detalles técnicos para mostrar que el progreso en el campo de la investigación biológica ha estado asociado durante mucho tiempo con el progreso en otras áreas. Si no hubiera computadoras que pudieran contar automáticamente el número de células teñidas en varios cientos de fotografías, los supermicroscopios serían de poca utilidad. Y sin tintes fluorescentes, los millones de células serían indistinguibles entre sí, por lo que sería casi imposible controlar la formación de nuevas o la muerte de las antiguas.
De hecho, el primer microscopio era una pinza con una lente esférica adherida. Un análogo de un microscopio de este tipo puede ser un simple naipe con un agujero y una gota de agua. Según algunos informes, dispositivos similares ya fueron utilizados por los mineros de oro en Kolyma en el siglo pasado.
Más allá del límite de difracción
Los microscopios ópticos tienen una desventaja fundamental. El hecho es que utilizando la forma de las ondas de luz es imposible reconstruir la forma de aquellos objetos que resultaron ser mucho más cortos que la longitud de onda: con el mismo éxito puedes intentar examinar la fina textura del material con la mano. un guante de soldadura grueso.
Las limitaciones creadas por la difracción se han superado parcialmente, sin violar las leyes de la física. Dos circunstancias ayudan a los microscopios ópticos a sumergirse bajo la barrera de difracción: el hecho de que durante la fluorescencia los cuantos son emitidos por moléculas de colorantes individuales (que pueden estar bastante alejadas entre sí) y el hecho de que, debido a la superposición de ondas de luz, es posible obtener un punto brillante con un diámetro menor que la longitud de onda.
Cuando se superponen entre sí, las ondas de luz pueden anularse entre sí, por lo que los parámetros de iluminación de la muestra se configuran de manera que el área más pequeña posible caiga en el área brillante. En combinación con algoritmos matemáticos que permiten, por ejemplo, eliminar las imágenes fantasma en la imagen, esta iluminación direccional proporciona un fuerte aumento en la calidad de la toma. Es posible, por ejemplo, examinar estructuras intracelulares utilizando un microscopio óptico e incluso (combinando el método descrito con microscopía confocal) obtener imágenes tridimensionales de ellas.
Microscopio electrónico a instrumentos electrónicos.
Para descubrir átomos y moléculas, los científicos no tenían que mirarlos; la teoría molecular no necesitaba ver el objeto. Pero la microbiología sólo fue posible después de la invención del microscopio. Por eso, al principio los microscopios se asociaron específicamente con la medicina y la biología: los físicos y químicos que estudiaban objetos significativamente más pequeños se las arreglaban con otros medios. Cuando quisieron observar el micromundo, las limitaciones de la difracción se convirtieron en un problema grave, especialmente porque los métodos de microscopía de fluorescencia descritos anteriormente aún eran desconocidos. ¡Y no tiene mucho sentido aumentar la resolución de 500 a 100 nanómetros si el objeto a examinar es aún más pequeño!
Sabiendo que los electrones pueden comportarse como ondas y como partículas, físicos alemanes crearon en 1926 una lente electrónica. La idea detrás de esto era muy simple y comprensible para cualquier escolar: dado que el campo electromagnético desvía los electrones, se puede utilizar para cambiar la forma del haz de estas partículas, separándolas en diferentes direcciones o, por el contrario, reducir el diámetro. de la viga. Cinco años más tarde, en 1931, Ernst Ruska y Max Knoll construyeron el primer microscopio electrónico del mundo. En el dispositivo, la muestra se iluminaba primero con un haz de electrones y luego una lente electrónica expandía el haz que pasaba antes de caer sobre una pantalla luminiscente especial. El primer microscopio sólo ofrecía un aumento de 400 veces, pero la sustitución de la luz por electrones abrió el camino a la fotografía con un aumento de cientos de miles de veces: los diseñadores sólo tuvieron que superar algunos obstáculos técnicos.
Un microscopio electrónico permitió examinar la estructura de las células con una calidad antes inalcanzable. Pero a partir de esta imagen es imposible comprender la edad de las células y la presencia de determinadas proteínas en ellas, y esta información es muy necesaria para los científicos.
Los microscopios electrónicos ahora permiten fotografías de virus en primer plano. Existen varias modificaciones de dispositivos que permiten no solo iluminar secciones delgadas, sino también examinarlas en "luz reflejada" (en electrones reflejados, por supuesto). No hablaremos en detalle sobre todas las variantes de los microscopios, pero observamos que recientemente los investigadores han aprendido a reconstruir una imagen a partir de un patrón de difracción.
Toca, no mira
Se produjo otra revolución debido a un mayor alejamiento del principio de “luz y ve”. Un microscopio de fuerza atómica, al igual que un microscopio de efecto túnel, ya no ilumina nada sobre la superficie de las muestras. En cambio, una aguja particularmente delgada se mueve a través de la superficie, que literalmente rebota incluso en irregularidades del tamaño de un átomo individual.
Sin entrar en detalles sobre todos estos métodos, destacamos lo principal: la aguja de un microscopio de túnel no sólo se puede mover a lo largo de la superficie, sino que también se puede utilizar para reorganizar los átomos de un lugar a otro. Así es como los científicos crean inscripciones, dibujos e incluso caricaturas en las que un niño dibujado juega con un átomo. Un átomo de xenón real arrastrado por la punta de un microscopio de efecto túnel.
Un microscopio de túnel se llama microscopio porque utiliza el efecto de una corriente de túnel que fluye a través de una aguja: los electrones pasan a través del espacio entre la aguja y la superficie debido al efecto de túnel predicho por la mecánica cuántica. Este dispositivo requiere una aspiradora para funcionar.
Un microscopio de fuerza atómica (AFM) exige mucho menos las condiciones ambientales: puede (con una serie de restricciones) funcionar sin bombear aire. En cierto sentido, el AFM es el sucesor nanotecnológico del gramófono. Una aguja montada sobre un soporte voladizo delgado y flexible ( viga voladiza y hay un “soporte”), se mueve a lo largo de la superficie sin aplicarle voltaje y sigue el relieve de la muestra de la misma manera que una aguja de gramófono sigue las ranuras de un disco de gramófono. La curvatura del voladizo hace que el espejo montado en él se desvíe; el espejo desvía el rayo láser, lo que permite determinar con mucha precisión la forma de la muestra en estudio. Lo principal es tener un sistema bastante preciso para mover la aguja, así como un suministro de agujas que deben estar perfectamente afiladas. El radio de curvatura en las puntas de dichas agujas no puede exceder de un nanómetro.
AFM le permite ver átomos y moléculas individuales, pero, al igual que un microscopio de túnel, no le permite mirar debajo de la superficie de una muestra. En otras palabras, los científicos tienen que elegir entre poder ver los átomos o poder estudiar el objeto completo. Sin embargo, incluso con los microscopios ópticos, el interior de las muestras estudiadas no siempre es accesible, porque los minerales o metales normalmente no transmiten bien la luz. Además, todavía surgen dificultades a la hora de fotografiar átomos: estos objetos aparecen como simples bolas, la forma de nubes de electrones no es visible en tales imágenes.
La radiación sincrotrón, que se produce cuando las partículas cargadas aceleradas por los aceleradores se desaceleran, permite estudiar los restos fosilizados de animales prehistóricos. Al rotar la muestra bajo rayos X, podemos obtener tomografías tridimensionales: así se encontró, por ejemplo, el cerebro dentro del cráneo de un pez que se extinguió hace 300 millones de años. Es posible prescindir de la rotación si la radiación transmitida se registra registrando los rayos X dispersados debido a la difracción.
Y estas no son todas las posibilidades que abre la radiación de rayos X. Cuando se irradia con él, muchos materiales emiten fluorescencia y la composición química de la sustancia puede determinarse por la naturaleza de la fluorescencia: así es como los científicos colorean los artefactos antiguos, las obras de Arquímedes borradas en la Edad Media o el color de las plumas de aves extintas hace mucho tiempo.
Postura de los átomos.
En el contexto de todas las posibilidades que ofrecen los métodos de rayos X o de fluorescencia óptica, un nuevo método para fotografiar átomos individuales ya no parece un gran avance en la ciencia. La esencia del método que permitió obtener las imágenes presentadas esta semana es la siguiente: se quitan electrones de los átomos ionizados y se envían a un detector especial. Cada acto de ionización elimina un electrón de una determinada posición y otorga un punto en la “fotografía”. Habiendo acumulado varios miles de puntos de este tipo, los científicos formaron una imagen que muestra las ubicaciones más probables para detectar un electrón alrededor del núcleo de un átomo, y esto, por definición, es una nube de electrones.
En conclusión, la capacidad de ver átomos individuales con sus nubes de electrones es más bien la guinda del pastel de la microscopía moderna. Para los científicos era importante estudiar la estructura de los materiales, estudiar las células y los cristales, y el consiguiente desarrollo de la tecnología hizo posible llegar al átomo de hidrógeno. Cualquier otra cosa es ya el ámbito de interés de los especialistas en física de partículas elementales. Y los biólogos, los científicos de materiales y los geólogos todavía tienen margen para mejorar los microscopios, incluso con un aumento bastante modesto en comparación con el fondo de los átomos. Los neurofisiólogos, por ejemplo, han querido durante mucho tiempo tener un dispositivo capaz de ver células individuales dentro de un cerebro vivo, y los creadores de los vehículos exploradores de Marte venderían sus almas por un microscopio electrónico que podría caber a bordo de una nave espacial y funcionar en Marte.
Como sabes, todo lo material del Universo está formado por átomos. Un átomo es la unidad más pequeña de materia que porta sus propiedades. A su vez, la estructura del átomo está formada por una trinidad mágica de micropartículas: protones, neutrones y electrones.
Además, cada una de las micropartículas es universal. Es decir, no se pueden encontrar dos protones, neutrones o electrones diferentes en el mundo. Todos son absolutamente similares entre sí. Y las propiedades del átomo dependerán únicamente de la composición cuantitativa de estas micropartículas en la estructura general del átomo.
Por ejemplo, la estructura de un átomo de hidrógeno consta de un protón y un electrón. El siguiente átomo más complejo, el helio, consta de dos protones, dos neutrones y dos electrones. Un átomo de litio está formado por tres protones, cuatro neutrones y tres electrones, etc.
Estructura atómica (de izquierda a derecha): hidrógeno, helio, litio
Los átomos se combinan para formar moléculas y las moléculas se combinan para formar sustancias, minerales y organismos. La molécula de ADN, que es la base de todos los seres vivos, es una estructura ensamblada a partir de los mismos tres ladrillos mágicos del universo que la piedra que yace en el camino. Aunque esta estructura es mucho más compleja.
Se revelan hechos aún más sorprendentes cuando intentamos observar más de cerca las proporciones y la estructura del sistema atómico. Se sabe que un átomo consta de un núcleo y electrones que se mueven a su alrededor a lo largo de una trayectoria que describe una esfera. Es decir, ni siquiera se le puede llamar movimiento en el sentido habitual de la palabra. Más bien, el electrón se encuentra en todas partes e inmediatamente dentro de esta esfera, creando una nube de electrones alrededor del núcleo y formando un campo electromagnético.
Representaciones esquemáticas de la estructura de un átomo.
El núcleo de un átomo está formado por protones y neutrones, y en él se concentra casi toda la masa del sistema. Pero al mismo tiempo, el núcleo en sí es tan pequeño que si su radio se aumenta a una escala de 1 cm, el radio de toda la estructura atómica alcanzará los cientos de metros. Así, todo lo que percibimos como materia densa se compone de más del 99% de los enlaces energéticos entre partículas físicas y menos del 1% de las formas físicas mismas.
Pero ¿cuáles son estas formas físicas? ¿De qué están hechos y de qué material son? Para responder a estas preguntas, echemos un vistazo más de cerca a las estructuras de protones, neutrones y electrones. Entonces, descendemos un paso más hacia las profundidades del micromundo: al nivel de las partículas subatómicas.
¿En qué consiste un electrón?
La partícula más pequeña de un átomo es un electrón. Un electrón tiene masa pero no volumen. En el concepto científico, un electrón no consiste en nada, sino que es un punto sin estructura.
Un electrón no se puede ver bajo un microscopio. Sólo es visible en forma de una nube de electrones, que parece una esfera borrosa alrededor del núcleo atómico. Al mismo tiempo, es imposible decir con precisión dónde se encuentra el electrón en un momento determinado. Los instrumentos no son capaces de capturar la partícula en sí, sino sólo su rastro de energía. La esencia del electrón no está contenida en el concepto de materia. Es más bien como una forma vacía que existe sólo en movimiento y debido al movimiento.
Aún no se ha descubierto ninguna estructura en el electrón. Es la misma partícula puntual que un cuanto de energía. De hecho, un electrón es energía, sin embargo, es una forma más estable de la misma que la representada por los fotones de luz.
Actualmente, el electrón se considera indivisible. Esto es comprensible, porque es imposible dividir algo que no tiene volumen. Sin embargo, ya se ha desarrollado la teoría según la cual el electrón contiene una trinidad de cuasipartículas como:
- Orbiton: contiene información sobre la posición orbital del electrón;
- Spinon – responsable del giro o torsión;
- Holon: transporta información sobre la carga del electrón.
Sin embargo, como vemos, las cuasipartículas no tienen absolutamente nada en común con la materia y sólo contienen información.
Fotografías de átomos de diferentes sustancias en un microscopio electrónico.
Curiosamente, un electrón puede absorber cuantos de energía, como luz o calor. En este caso, el átomo pasa a un nuevo nivel de energía y los límites de la nube de electrones se expanden. También sucede que la energía absorbida por un electrón es tan grande que puede saltar del sistema atómico y continuar su movimiento como partícula independiente. Al mismo tiempo, se comporta como un fotón de luz, es decir, parece dejar de ser una partícula y comienza a exhibir propiedades de onda. Esto se demostró en un experimento.
el experimento de jung
Durante el experimento, se dirigió una corriente de electrones hacia una pantalla con dos rendijas. Al pasar por estas rendijas, los electrones chocaron con la superficie de otra pantalla de proyección, dejando su huella en ella. Como resultado de este “bombardeo” de electrones, apareció en la pantalla de proyección un patrón de interferencia similar al que aparecería si a través de dos rendijas pasaran ondas, pero no partículas.
Este patrón se produce porque una onda que pasa entre dos rendijas se divide en dos ondas. Como resultado de un mayor movimiento, las ondas se superponen y, en algunas zonas, se anulan mutuamente. El resultado son muchas líneas en la pantalla de proyección, en lugar de solo una, como sería el caso si el electrón se comportara como una partícula.
Estructura del núcleo de un átomo: protones y neutrones.
Los protones y los neutrones forman el núcleo de un átomo. Y a pesar de que el núcleo ocupa menos del 1% del volumen total, es en esta estructura donde se concentra casi toda la masa del sistema. Pero los físicos están divididos sobre la estructura de los protones y los neutrones, y por el momento existen dos teorías.
- Teoría No. 1 - Estándar
El Modelo Estándar dice que los protones y los neutrones están formados por tres quarks conectados por una nube de gluones. Los quarks son partículas puntuales, al igual que los cuantos y los electrones. Y los gluones son partículas virtuales que aseguran la interacción de los quarks. Sin embargo, nunca se encontraron quarks ni gluones en la naturaleza, por lo que este modelo está sujeto a severas críticas.
- Teoría #2 - Alternativa
Pero según la teoría alternativa del campo unificado desarrollada por Einstein, el protón, como el neutrón, como cualquier otra partícula del mundo físico, es un campo electromagnético que gira a la velocidad de la luz.
Campos electromagnéticos del hombre y el planeta.
¿Cuáles son los principios de la estructura atómica?
Todo en el mundo (sutil y denso, líquido, sólido y gaseoso) son solo estados de energía de innumerables campos que impregnan el espacio del Universo. Cuanto mayor es el nivel de energía en el campo, más fino y menos perceptible es. Cuanto menor sea el nivel de energía, más estable y tangible será. La estructura del átomo, así como la estructura de cualquier otra unidad del Universo, radica en la interacción de tales campos, diferentes en densidad de energía. Resulta que la materia es sólo una ilusión de la mente.
Sin embargo, fotografiar el átomo en sí, y no cualquier parte de él, parecía una tarea extremadamente difícil, incluso cuando se utilizaban los dispositivos más avanzados.
El hecho es que, según las leyes de la mecánica cuántica, es imposible determinar con la misma precisión todas las propiedades de una partícula subatómica. Esta rama de la física teórica se basa en el principio de incertidumbre de Heisenberg, que establece que es imposible medir las coordenadas y el impulso de una partícula con igual precisión; las mediciones precisas de una propiedad ciertamente cambiarán los datos sobre la otra.
Por tanto, en lugar de determinar la ubicación (coordenadas de la partícula), la teoría cuántica propone medir la llamada función de onda.
La función de onda funciona de manera muy similar a una onda de sonido. La única diferencia es que la descripción matemática de una onda sonora determina el movimiento de las moléculas en el aire en un lugar determinado, y la función de onda describe la probabilidad de que aparezca una partícula en un lugar determinado según la ecuación de Schrödinger.
Medir la función de onda también es difícil (las observaciones directas conducen a su colapso), pero los físicos teóricos pueden predecir de forma aproximada sus valores.
Es posible medir experimentalmente todos los parámetros de la función de onda solo si se recopilan a partir de mediciones destructivas separadas realizadas en sistemas de átomos o moléculas completamente idénticos.
Los físicos del instituto de investigación holandés AMOLF presentaron un nuevo método que no requiere "reordenamientos" y publicaron los resultados de su trabajo en la revista Physical Review Letters. Su técnica se basa en una hipótesis de 1981 de tres físicos teóricos soviéticos, así como en investigaciones más recientes.
Durante el experimento, un equipo de científicos dirigió dos rayos láser a átomos de hidrógeno colocados en una cámara especial. Como resultado de este impacto, los electrones abandonaron sus órbitas con la velocidad y dirección determinadas por sus funciones de onda. El fuerte campo eléctrico en la cámara que contenía los átomos de hidrógeno dirigió los electrones a partes específicas del detector plano (plano).
La posición de los electrones que golpeaban el detector estaba determinada por su velocidad inicial, no por su posición en la cámara. Así, la distribución de los electrones en el detector informó a los científicos sobre la función de onda que tenían estas partículas cuando abandonaron la órbita alrededor del núcleo de un átomo de hidrógeno.
Los movimientos de los electrones se representaron en una pantalla fosforescente en forma de anillos claros y oscuros, que los científicos fotografiaron con una cámara digital de alta resolución.
"Estamos muy contentos con nuestros resultados. La mecánica cuántica tiene tan poco que ver con la vida cotidiana que es poco probable que a alguien se le hubiera ocurrido obtener una fotografía real de las interacciones cuánticas en un átomo", dice la autora principal, Aneta Stodolna. Además, afirma que la técnica desarrollada también puede tener aplicaciones prácticas, por ejemplo, para crear conductores del grosor de un átomo, el desarrollo de la tecnología de cables moleculares, que mejorará significativamente los dispositivos electrónicos modernos.
“Cabe destacar que el experimento se llevó a cabo específicamente con hidrógeno, que es la sustancia más simple y común en nuestro Universo. Será necesario comprender si esta técnica se puede aplicar a átomos más complejos. un gran avance que nos permitirá desarrollar no sólo la electrónica, sino también la nanotecnología”, afirma Jeff Lundeen, de la Universidad de Ottawa, que no participó en el estudio.
Sin embargo, los propios científicos que realizaron el experimento no piensan en el lado práctico del problema. Creen que su descubrimiento se relaciona principalmente con la ciencia fundamental, que ayudará a transmitir más conocimientos a las generaciones futuras de físicos.
PostScience desacredita los mitos científicos y explica conceptos erróneos comunes. Les pedimos a nuestros expertos que comentaran ideas populares sobre la estructura y propiedades de los átomos.
El modelo de Rutherford corresponde a las ideas modernas sobre la estructura del átomo.
Esto es cierto, pero en parte. El modelo planetario del átomo, en el que los electrones ligeros orbitan alrededor de un núcleo pesado, como los planetas alrededor del Sol, fue propuesto por Ernest Rutherford en 1911, después de que el propio núcleo fuera descubierto en su laboratorio. Al bombardear un trozo de lámina metálica con partículas alfa, los científicos descubrieron que la gran mayoría de las partículas atravesaban la lámina, de forma muy similar a como la luz atraviesa el vidrio. Sin embargo, una pequeña fracción de ellos (alrededor de uno de cada 8.000) se reflejaron en la fuente. Rutherford explicó estos resultados por el hecho de que la masa no se distribuye uniformemente en la materia, sino que se concentra en "grupos": núcleos atómicos que llevan una carga positiva que repele las partículas alfa cargadas positivamente. Los electrones ligeros y cargados negativamente evitan "caer" sobre el núcleo girando alrededor de ellos para que la fuerza centrífuga equilibre la atracción electrostática.
Se dice que después de inventar este modelo, Rutherford exclamó: “¡Ahora sé cómo es un átomo!” Sin embargo, pronto, tras la inspiración, Rutherford se dio cuenta de la naturaleza defectuosa de su idea. Al girar alrededor del núcleo, el electrón crea campos eléctricos y magnéticos alternos a su alrededor. Estos campos viajan a la velocidad de la luz en forma de onda electromagnética. ¡Y esa onda lleva consigo energía! Resulta que, al girar alrededor del núcleo, el electrón perderá energía continuamente y caerá sobre el núcleo en mil millonésimas de segundo. (Puede surgir la pregunta de si se podría aplicar el mismo argumento a los planetas del sistema solar: ¿por qué no caen sobre el Sol? Respuesta: las ondas gravitacionales, si es que existen, son mucho más débiles que las ondas electromagnéticas, y las La energía almacenada en los planetas es mucho mayor que en los electrones, por lo que la “reserva de energía” de los planetas es muchos órdenes de magnitud mayor.)
Rutherford encomendó a su colaborador, el joven teórico Niels Bohr, la tarea de resolver la contradicción. Después de trabajar durante dos años, Bohr encontró una solución parcial. Postuló que entre todas las órbitas posibles de un electrón, existen aquellas en las que el electrón puede permanecer mucho tiempo sin emitir. Un electrón puede pasar de una órbita estacionaria a otra, mientras absorbe o emite un cuanto de campo electromagnético con una energía igual a la diferencia de energías de las dos órbitas. Utilizando los principios iniciales de la física cuántica, que ya habían sido descubiertos en ese momento, Bohr pudo calcular los parámetros de las órbitas estacionarias y, en consecuencia, las energías de los cuantos de radiación correspondientes a las transiciones. ¡Estas energías ya se habían medido utilizando métodos espectroscópicos, y las predicciones teóricas de Bohr coincidieron casi perfectamente con los resultados de estas mediciones!
A pesar de este resultado triunfante, la teoría de Bohr apenas aportó claridad a la cuestión de la física atómica, porque era semiempírica: aunque postulaba la presencia de órbitas estacionarias, no explicaba de ninguna manera su naturaleza física. Una clarificación profunda de la cuestión requirió al menos otras dos décadas, durante las cuales la mecánica cuántica se desarrolló como una teoría física integral y sistemática.
En el marco de esta teoría, el electrón está sujeto al principio de incertidumbre y no se describe mediante un punto material, como un planeta, sino mediante una función de onda "difuminada" a lo largo de su órbita. En cada momento del tiempo se encuentra en una superposición de estados correspondientes a todos los puntos de la órbita. Dado que la densidad de distribución de masa en el espacio, determinada por la función de onda, no depende del tiempo, no se crea un campo electromagnético alterno alrededor del electrón; no hay pérdida de energía.
Así, el modelo planetario ofrece una representación visual fiel de cómo es un átomo: Rutherford tenía razón en su exclamación. Sin embargo, no explica cómo funciona el átomo: la estructura es mucho más compleja y profunda que la que modeló Rutherford.
En conclusión, observo que el “mito” del modelo planetario está en el centro mismo del drama intelectual que dio lugar a un punto de inflexión en la física hace cien años y que moldeó en gran medida esta ciencia en su forma moderna.
Alejandro Lvovsky
Doctor en Física, profesor de la Facultad de Física de la Universidad de Calgary, jefe del grupo científico, miembro del consejo científico del Centro Cuántico Ruso, editor de la revista científica Optics Express
Los átomos individuales se pueden controlar.
Esto es cierto. Por supuesto que puedes, ¿por qué no? Puedes controlar diferentes parámetros de un átomo, y un átomo tiene bastantes: tiene una posición en el espacio, velocidad y también hay grados de libertad internos. Los grados de libertad internos determinan las propiedades magnéticas y eléctricas de un átomo, así como su disposición a emitir luz u ondas de radio. Dependiendo del estado interno de un átomo, puede ser más o menos activo en colisiones y reacciones químicas, cambiar las propiedades de los átomos circundantes y su respuesta a campos externos depende de su estado interno. En medicina, por ejemplo, se utilizan los llamados gases polarizados para construir tomografías de los pulmones; en estos gases todos los átomos se encuentran en el mismo estado interno, lo que les permite "ver" el volumen que llenan según su respuesta.
No es tan difícil controlar la velocidad de un átomo o su posición; es mucho más difícil seleccionar exactamente un átomo para controlarlo. Pero esto también se puede hacer. Uno de los métodos para dicha separación de átomos se realiza mediante enfriamiento por láser. Para el control siempre es conveniente tener una posición inicial conocida; es bastante bueno si el átomo aún no se mueve. El enfriamiento por láser permite lograr ambas cosas: localizar átomos en el espacio y enfriarlos, es decir, reducir su velocidad a casi cero. El principio del enfriamiento por láser es el mismo que el de un avión a reacción, solo que este último emite una corriente de gas para acelerar, y en el primer caso, el átomo, por el contrario, absorbe una corriente de fotones (partículas de luz) y desacelera. . Las técnicas modernas de enfriamiento por láser pueden enfriar millones de átomos a velocidades de caminata o inferiores. Entonces entran en juego varios tipos de trampas pasivas, por ejemplo una trampa dipolo. Si el enfriamiento por láser utiliza un campo de luz que el átomo absorbe activamente, entonces, para mantenerlo en una trampa dipolar, la frecuencia de la luz se selecciona lejos de cualquier absorción. Resulta que la luz láser altamente enfocada es capaz de polarizar pequeñas partículas y granos de polvo y atraerlos hacia la región de mayor intensidad luminosa. El átomo no es una excepción y también es atraído hacia la región del campo más intenso. Resulta que si enfocas la luz lo más estrechamente posible, entonces solo se puede mantener exactamente un átomo en dicha trampa. El hecho es que si el segundo cae en la trampa, resulta que está tan apretado contra el primero que forman una molécula y al mismo tiempo caen de la trampa. Sin embargo, un enfoque tan preciso no es la única forma de aislar un solo átomo; también se pueden utilizar las propiedades de la interacción de un átomo con un resonador para átomos cargados, iones; se pueden utilizar campos eléctricos para capturar y retener exactamente un ion; etcétera. Incluso es posible excitar un átomo de un conjunto bastante limitado de átomos hasta un estado muy excitado, el llamado estado de Rydberg. Un átomo, una vez excitado al estado de Rydberg, bloquea la posibilidad de excitar a sus vecinos al mismo estado y, si el volumen con átomos es lo suficientemente pequeño, será el único.
De una forma u otra, una vez capturado un átomo, se puede controlar. El estado interno se puede cambiar mediante campos de luz y radiofrecuencia utilizando las frecuencias deseadas y la polarización de la onda electromagnética. Es posible transferir un átomo a cualquier estado predeterminado, ya sea un determinado estado, un nivel o su superposición. La única cuestión es la disponibilidad de las frecuencias necesarias y la capacidad de generar impulsos de control suficientemente cortos y potentes. Recientemente, se ha hecho posible controlar más eficazmente los átomos manteniéndolos cerca de nanoestructuras, lo que permite no sólo "hablar" con el átomo de forma más eficaz, sino también utilizar el átomo mismo (más precisamente, sus estados internos) para controlar el flujo de luz, y en el futuro, tal vez, y con fines computacionales.
Controlar la posición de un átomo retenido por una trampa es una tarea muy sencilla: basta con mover la trampa. En el caso de una trampa dipolo, el haz de luz se mueve, lo que se puede hacer, por ejemplo, con espejos móviles para un espectáculo de láser. Al átomo se le puede volver a dar velocidad de forma reactiva, forzándolo a absorber luz, y el ion puede acelerarse fácilmente mediante campos eléctricos, tal como se hacía en los tubos de rayos catódicos. Así que hoy, en principio, se puede hacer cualquier cosa con un átomo, es sólo cuestión de tiempo y esfuerzo.
Alexéi Akimov
El átomo es indivisible.
En parte es cierto, en parte no. Wikipedia nos da la siguiente definición: “Un átomo (del griego antiguo ἄτομος - indivisible, sin cortar) es una partícula de una sustancia de tamaño y masa microscópicos, la parte más pequeña de un elemento químico, que es portador de sus propiedades. Un átomo está formado por un núcleo atómico y electrones."
Hoy en día, cualquier persona educada imagina el átomo en el modelo de Rutherford, representado brevemente por la última frase de esta definición generalmente aceptada. Parecería que la respuesta a la pregunta/mito planteado es obvia: un átomo es un objeto compuesto y complejo. Sin embargo, la situación no es tan clara. Los filósofos antiguos más bien pusieron en la definición de átomo el significado de la existencia de una partícula de materia elemental e indivisible y era poco probable que relacionaran el problema con la estructura de los elementos de la tabla periódica. En realidad, en el átomo de Rutherford encontramos tal partícula: es un electrón.
El electrón, de acuerdo con los conceptos modernos, encaja en el llamado
“>El modelo estándar es un punto cuyo estado se describe por posición y velocidad. Lo importante es que la especificación simultánea de estas características cinemáticas es imposible debido al principio de incertidumbre de Heisenberg, pero considerando sólo una de ellas, por ejemplo la coordenada, se puede determinar con una precisión arbitrariamente alta.
¿Es entonces posible, utilizando tecnología experimental moderna, intentar localizar un electrón en una escala significativamente menor que el tamaño atómico (~0,5 * 10-8 cm) y comprobar su semejanza puntual? Resulta que si se intenta localizar un electrón en la escala de la llamada longitud de onda de Compton, aproximadamente 137 veces más pequeña que el tamaño de un átomo de hidrógeno, el electrón interactuará con su antimateria y el sistema se volverá inestable.
La puntería e indivisibilidad del electrón y otras partículas elementales de materia es un elemento clave del principio de acción de corto alcance en la teoría de campos y está presente en todas las ecuaciones fundamentales que describen la naturaleza. Así, los filósofos antiguos no estaban tan lejos de la verdad al suponer que existen partículas indivisibles de materia.
Dmitri Kupriyánov
Doctor en Ciencias Físicas y Matemáticas, Profesor de Física, Universidad Politécnica Estatal de San Petersburgo, Director. Departamento de Física Teórica SPbSPU
La ciencia aún no lo sabe. El modelo planetario del átomo de Rutherford suponía que los electrones orbitaban alrededor del núcleo atómico, como los planetas orbitaban alrededor del sol. Al mismo tiempo, era natural suponer que los electrones son partículas sólidas y esféricas. El modelo clásico de Rutherford era internamente contradictorio. Obviamente, las partículas cargadas aceleradas (electrones) en movimiento perderían energía debido a la radiación electromagnética y finalmente caerían sobre los núcleos de los átomos.
Niels Bohr propuso prohibir este proceso e introducir ciertos requisitos para los radios de las órbitas a lo largo de las cuales se mueven los electrones. El modelo fenomenológico de Bohr dio paso al modelo cuántico del átomo, desarrollado por Heisenberg, y al modelo cuántico, pero más visual, del átomo, propuesto por Schrödinger. En el modelo de Schrödinger, los electrones ya no son bolas que vuelan en órbita, sino ondas estacionarias que, como nubes, cuelgan sobre el núcleo atómico. La forma de estas “nubes” fue descrita mediante la función de onda introducida por Schrödinger.
Inmediatamente surgió la pregunta: ¿cuál es el significado físico de la función de onda? La respuesta la propuso Max Born: el módulo al cuadrado de la función de onda es la probabilidad de encontrar un electrón en un punto dado del espacio. Y aquí comenzaron las dificultades. Surgió la pregunta: ¿qué significa encontrar un electrón en un punto determinado del espacio? ¿No debería entenderse la afirmación de Born como una admisión de que un electrón es una pequeña bola que vuela a lo largo de una determinada trayectoria y que puede ser atrapada en un determinado punto de esa trayectoria con cierta probabilidad?
Este es precisamente el punto de vista de Schrödinger y Albert Einstein, quienes se unieron a él en este tema. Fueron objetados por los físicos de la Escuela de Copenhague, Niels Bohr y Werner Heisenberg, quienes argumentaron que entre actos de medición el electrón simplemente no existe, lo que significa que no tiene sentido hablar sobre la trayectoria de su movimiento. La discusión entre Bohr y Einstein sobre la interpretación de la mecánica cuántica pasó a la historia. Bohr parecía ser el ganador: logró, aunque no muy claramente, refutar todas las paradojas formuladas por Einstein, e incluso la famosa paradoja del “gato de Schrödinger”, formulada por Schrödinger en 1935. Durante varias décadas, la mayoría de los físicos estuvieron de acuerdo con Bohr en que la materia no es una realidad objetiva que se nos da en sensaciones, como enseñó Karl Marx, sino algo que surge sólo en el momento de la observación y no existe sin un observador. Es interesante que en la época soviética los departamentos de filosofía de las universidades enseñaban que ese punto de vista es el idealismo subjetivo, es decir, una tendencia que va en contra del materialismo objetivo: la filosofía de Marx, Engels, Lenin y Einstein. Al mismo tiempo, en los departamentos de física, se enseñaba a los estudiantes que los conceptos de la Escuela de Copenhague eran los únicos correctos (quizás porque el físico teórico soviético más famoso, Lev Landau, pertenecía a esta escuela).
Por el momento, las opiniones de los físicos están divididas. Por un lado, la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica sigue siendo popular. Los intentos de verificar experimentalmente la validez de esta interpretación (por ejemplo, la verificación exitosa de la llamada desigualdad de Bell por parte del físico francés Alain Aspe) gozan de la aprobación casi unánime de la comunidad científica. Por otro lado, los teóricos se sienten bastante cómodos discutiendo teorías alternativas, como la teoría de los mundos paralelos. Volviendo al electrón, podemos decir que sus posibilidades de seguir siendo una bola de billar aún no son muy altas. Al mismo tiempo, son diferentes de cero. En los años 20 del siglo XX, fue el modelo de billar de dispersión de Compton el que permitió demostrar que la luz está formada por cuantos: fotones. En muchos problemas relacionados con dispositivos importantes y útiles (diodos, transistores), es conveniente pensar en un electrón como una bola de billar. La naturaleza ondulatoria del electrón es importante para describir efectos más sutiles, como la magnetorresistencia negativa de los metales.
La cuestión filosófica de si existe una bola de electrón entre actos de medición no es de gran importancia en la vida ordinaria. Sin embargo, esta cuestión sigue siendo uno de los problemas más graves de la física moderna.
Alexey Kavokin
Candidato de Ciencias Físicas y Matemáticas, Profesor de la Universidad de Southampton, Jefe del Grupo de Polaritónica Cuántica del Centro Cuántico Ruso, Director Científico del Instituto Mediterráneo de Física Fundamental (Italia)
Un átomo puede destruirse por completo.
Esto es cierto. Romper no es construir. Puedes destruir cualquier cosa, incluido un átomo, hasta cualquier grado de plenitud. En una primera aproximación, un átomo es un núcleo cargado positivamente rodeado por electrones cargados negativamente. La primera acción destructiva que se puede realizar sobre un átomo es arrancarle electrones. Esto se puede hacer de diferentes maneras: puede enfocar una potente radiación láser sobre él o irradiarlo con electrones rápidos u otras partículas rápidas. Un átomo que ha perdido algunos de sus electrones se llama ion. Es en este estado en el que se encuentran los átomos en el Sol, donde las temperaturas son tan altas que es prácticamente imposible que los átomos retengan sus electrones en las colisiones.
Cuantos más electrones haya perdido un átomo, más difícil será eliminar el resto. Dependiendo del número atómico, un átomo tiene más o menos electrones. El átomo de hidrógeno generalmente tiene un solo electrón, y a menudo lo pierde incluso en condiciones normales, y es el hidrógeno que ha perdido sus electrones el que determina el pH del agua. Un átomo de helio tiene dos electrones y, en estado completamente ionizado, se llama partícula alfa, el tipo de partículas que ya esperamos de un reactor nuclear y no del agua ordinaria. Los átomos que contienen muchos electrones requieren aún más energía para eliminar todos los electrones, pero, aun así, es posible eliminar todos los electrones de cualquier átomo.
Si se arrancan todos los electrones, el núcleo permanece, pero también puede destruirse. El núcleo está formado por protones y neutrones (generalmente hadrones) y, aunque están fuertemente unidos, una partícula incidente de energía suficientemente alta puede romperlos. Los átomos pesados, en los que hay demasiados neutrones y protones, tienden a desintegrarse por sí solos, liberando bastante energía; las centrales nucleares se basan en este principio.
Pero incluso si se rompe el núcleo y se arrancan todos los electrones, las partículas originales permanecen: neutrones, protones, electrones. Por supuesto, también pueden destruirse. En realidad, esto es lo que hace, que acelera los protones a energías enormes, destruyéndolos por completo en las colisiones. En este caso nacen muchas partículas nuevas que el colisionador estudia. Lo mismo se puede hacer con los electrones y cualquier otra partícula.
La energía de una partícula destruida no desaparece, se distribuye entre otras partículas, y si hay suficientes, resulta imposible rastrear rápidamente la partícula original en el mar de nuevas transformaciones. Todo se puede destruir, no hay excepciones.
Alexéi Akimov
Candidato de Ciencias Físicas y Matemáticas, jefe del grupo "Simuladores Cuánticos" del Centro Cuántico Ruso, profesor del MIPT, empleado del Instituto de Física Lebedev, investigador de la Universidad de Harvard