Tegelikult on RTC autor oma "mõtisklustes" läinud nii kaugele, et esile kutsunud raskeid vastuargumente, nimelt 4. novembril 2010 teatavaks saanud Jaapani teadlaste vesinikuaatomi pildistamise eksperimendi andmed. Pildil on selgelt näha aatomi kuju, mis kinnitab nii aatomite diskreetsust kui ka ümarust: „Tokyo ülikooli teadlaste ja spetsialistide rühm pildistas esimest korda maailmas üht vesinikuaatomit – kõige kergemat ja väikseimat aatomit, uudised asutused teatavad.
Pilt on tehtud ühe uusima tehnoloogiaga – spetsiaalse skaneeriva elektronmikroskoobiga. Selle seadme abil pildistati koos vesinikuaatomiga üksikut vanaadiumi aatomit.
Vesinikuaatomi läbimõõt on üks kümnemiljardik meetrist. Varem arvati, et seda on moodsa varustusega peaaegu võimatu pildistada. Vesinik on kõige levinum aine. Selle osa kogu universumis on ligikaudu 90%.
Teadlaste sõnul saab samamoodi kinni püüda ka teisi elementaarosakesi. "Nüüd näeme kõiki aatomeid, millest meie maailm koosneb," ütles professor Yuichi Ikuhara. "See on läbimurre uutele tootmisvormidele, kui tulevikus on võimalik teha otsuseid üksikute aatomite ja molekulide tasandil."
Vesinikuaatom, tavapärased värvid
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i21/e213001
Rühm Saksamaa, Kreeka, Hollandi, USA ja Prantsusmaa teadlasi pildistas vesinikuaatomit. Need fotoionisatsioonimikroskoobiga saadud kujutised näitavad elektrontiheduse jaotust, mis ühtib täielikult teoreetiliste arvutuste tulemustega. Rahvusvahelise grupi tööd tutvustatakse Physical Review Lettersi lehekülgedel.
Fotoionisatsioonimeetodi olemus seisneb vesinikuaatomite järjestikuses ioniseerimises, see tähendab elektroni eraldumises neist elektromagnetilise kiirguse tõttu. Eraldatud elektronid suunatakse tundlikule maatriksile läbi positiivselt laetud rõnga ning elektroni asend maatriksiga kokkupõrke hetkel peegeldab elektroni asukohta aatomi ioniseerumise hetkel. Laetud rõngas, mis suunab elektronid küljele, toimib läätsena ja selle abil suurendatakse pilti miljoneid kordi.
Seda 2004. aastal kirjeldatud meetodit kasutati juba üksikute molekulide “fotode” tegemiseks, kuid füüsikud läksid kaugemale ja kasutasid vesinikuaatomite uurimiseks fotoionisatsioonimikroskoopi. Kuna ühe elektroni löök annab ainult ühe punkti, kogusid teadlased erinevatest aatomitest umbes 20 tuhat üksikut elektroni ja koostasid elektronkestade keskmise kujutise.
Kvantmehaanika seaduste kohaselt ei ole elektronil aatomis iseenesest mingit kindlat asukohta. Ainult siis, kui aatom interakteerub väliskeskkonnaga, avaldub teatud tõenäosusega elektron aatomituuma teatud läheduses: piirkonda, kus elektroni tuvastamise tõenäosus on maksimaalne, nimetatakse elektronkihiks. Uutel piltidel on näha erinevate energiaseisundite aatomite erinevusi; teadlased suutsid visuaalselt demonstreerida kvantmehaanika ennustatud elektronkestade kuju.
Teiste instrumentide, skaneerivate tunnelmikroskoopide abil saab üksikuid aatomeid mitte ainult näha, vaid ka soovitud asukohta liigutada. Umbes kuu aega tagasi võimaldas see tehnika IBM-i inseneridel joonistada koomiksi, mille iga kaader koosneb aatomitest: sellistel kunstilistel katsetel pole praktilist mõju, kuid see demonstreerib aatomitega manipuleerimise põhimõttelist võimalust. Rakenduslikel eesmärkidel ei kasutata enam aatomikoostu, vaid keemilisi protsesse koos nanostruktuuride iseorganiseerumisega või monoatomiliste kihtide kasvu ise piiramisega substraadil.
Elektronipilvi püüdev vesinikuaatom. Ja kuigi kaasaegsed füüsikud suudavad kiirendite abil määrata isegi prootoni kuju, jääb vesinikuaatom ilmselt väikseimaks objektiks, mille pilti on mõttekas fotoks nimetada. "Lenta.ru" annab ülevaate kaasaegsetest mikromaailma pildistamise meetoditest.
Rangelt võttes on tavaline fotograafia tänapäeval peaaegu kadunud. Pildid, mida me tavaliselt nimetame fotodeks ja mida võime leida näiteks "Lenta.ru" mis tahes fotoreportaažist, on tegelikult arvutimudelid. Valgustundlik maatriks spetsiaalses seadmes (tavapäraselt nimetatakse seda endiselt "kaameraks") määrab valguse intensiivsuse ruumilise jaotuse mitmes erinevas spektrivahemikus, juhtelektroonika salvestab need andmed digitaalsel kujul ja seejärel teine elektrooniline ahel, mis põhineb need andmed annavad vedelkristallkuvari transistoridele käsu ... Kile, paber, erilahendused nende töötlemiseks – kõik see on muutunud eksootiliseks. Ja kui meenutada selle sõna otsest tähendust, siis fotograafia on "valgusmaal". Mida siis öelda selle kohta, mis teadlastel õnnestus pildistada aatomiga, on see võimalik ainult korraliku kokkuleppe korral.
Enam kui pooled astronoomilistest piltidest on pikka aega tehtud infrapuna-, ultraviolett- ja röntgenteleskoopidega. Elektronmikroskoope ei kiiritata mitte valguse, vaid elektronkiirega ning aatomjõumikroskoobid skaneerivad küll nõelaga proovi reljeefi. On olemas röntgenmikroskoobid ja magnetresonantstomograafia seadmed. Kõik need seadmed annavad meile täpseid pilte erinevatest objektidest ja hoolimata sellest, et "valgusmaalist" pole siinkohal muidugi vaja rääkida, julgeme selliseid pilte siiski nimetada fotodeks.
Füüsikute katsed prootoni kuju või kvarkide jaotuse määramiseks osakestes jäävad kulisside taha; meie lugu piirdub aatomite ulatusega.
Optika ei vanane kunagi
Nagu 20. sajandi teisel poolel selgus, on optilistel mikroskoopidel veel palju areneda. Bioloogiliste ja meditsiiniliste uuringute määrav hetk on olnud fluorestseeruvate värvainete ja meetodite ilmumine teatud ainete selektiivseks märgistamiseks. See polnud lihtsalt uus värv, see oli tõeline revolutsioon.
Vastupidiselt levinud arvamusele ei ole fluorestsents pimedas üldse kuma (viimast nimetatakse luminestsentsiks). See on teatud energia kvantide (näiteks sinise valguse) neeldumise nähtus, millele järgneb madalama energiaga kvantide ja vastavalt erineva valguse kiirgamine (sinise neeldumisel eralduvad rohelised). Kui paned sisse filtri, mis laseb läbi ainult värvaine kiirgavad kvantid ja püüab kinni fluorestsentsi tekitava valguse, siis on näha tumedat tausta heledate värvilaikudega ning värvained võivad omakorda proovi ülimalt värvida. valikuliselt.
Näiteks võite värvida närviraku tsütoskeleti punaseks, sünapsid esile tõsta roheliseks ja tuuma siniseks. Saate teha fluorestseeruva märgise, mis võimaldab teil teatud tingimustel tuvastada membraani valgu retseptoreid või raku sünteesitud molekule. Immunohistokeemiline värvimine on muutnud bioloogiateaduse pöörde. Ja kui geeniinsenerid õppisid fluorestseeruvate valkudega transgeenseid loomi valmistama, koges see meetod uuestisündi: näiteks said reaalsuseks hiired, kelle neuronid olid värvitud erinevat värvi.
Lisaks on insenerid välja mõelnud (ja praktikas välja töötanud) nn konfokaalse mikroskoopia meetodi. Selle olemus seisneb selles, et mikroskoop keskendub väga õhukesele kihile ning spetsiaalne diafragma lõikab ära valgustuse, mille tekitavad väljaspool seda kihti olevad objektid. Sellise mikroskoobiga saab proovi järjestikku ülevalt alla skaneerida ja saada piltide virna, mis on kolmemõõtmelise mudeli valmis aluseks.
Laserite ja keerukate optiliste kiirte juhtimissüsteemide kasutamine on lahendanud värvi läbipõlemise ja õrnade bioloogiliste proovide kuivamise probleemi eredas valguses: laserkiir skaneerib proovi ainult siis, kui see on pildistamiseks vajalik. Ja selleks, et mitte raisata aega ja vaeva suure proovi uurimiseks läbi kitsa vaateväljaga okulaari, pakkusid insenerid välja automaatse skaneerimissüsteemi: saate panna klaasi koos prooviga kaasaegse mikroskoobi lavale ja seade jäädvustab iseseisvalt kogu isendist suuremahulise panoraami. Samal ajal keskendub ta õigetes kohtades ja liimib seejärel kokku palju kaadreid.
Mõned mikroskoobid sobivad elusate hiirte, rottide või vähemalt väikeste selgrootutega. Teised annavad veidi tõusu, kuid on kombineeritud röntgeniaparaadiga. Paljud neist on vibratsioonihäirete kõrvaldamiseks paigaldatud spetsiaalsetele mitu tonni kaaluvatele laudadele hoolikalt kontrollitud mikrokliimaga ruumidesse. Selliste süsteemide maksumus ületab teiste elektronmikroskoopide kulusid ja kaunima raami konkursid on juba ammu traditsiooniks saanud. Lisaks jätkub optika täiustamine: alates parimate klaasitüüpide otsimisest ja optimaalsete läätsede kombinatsioonide valikust on insenerid liikunud valguse teravustamise meetodite juurde.
Oleme konkreetselt loetlenud mitmeid tehnilisi üksikasju, et näidata, et bioloogiliste uuringute edusamme on pikka aega seostatud edusammudega muudes valdkondades. Kui poleks arvuteid, mis suudaksid värvitud rakkude arvu automaatselt mitmesajal fotol kokku lugeda, oleks supermikroskoopidest vähe kasu. Ja ilma fluorestseeruvate värvaineteta oleks kõik miljonid rakud üksteisest eristamatud, mistõttu oleks peaaegu võimatu jälgida uute teket või vanade surma.
Tegelikult oli esimene mikroskoop klamber, mille külge oli kinnitatud sfääriline lääts. Sellise mikroskoobi analoogiks võib olla lihtne mängukaart, millesse on tehtud auk ja tilk vett. Mõnede teadete kohaselt kasutasid Kolõma kullakaevurid sarnaseid seadmeid juba eelmisel sajandil.
Üle difraktsioonipiiri
Optilistel mikroskoopidel on põhiline puudus. Tõsiasi on see, et nende objektide kuju, mis osutusid lainepikkusest palju väiksemaks, on valguslainete kuju järgi võimatu taastada: sama hästi võib proovida materjali peent tekstuuri oma käega uurida. paks kinnas keevitamiseks.
Difraktsioonist tulenevad piirangud said osaliselt ületatud ja seda füüsikaseadusi rikkumata. Kaks asjaolu aitavad optilistel mikroskoopidel difraktsioonibarjääri alla sukelduda: asjaolu, et fluorestsentsi ajal kiirgavad kvante üksikud värvimolekulid (mis võivad olla üksteisest üsna kaugel) ja asjaolu, et valguslainete superpositsiooni tõttu. , on võimalik saada lainepikkusest väiksema läbimõõduga hele laik.
Üksteise peale asetades on valguslained võimelised üksteist vastastikku kustutama, mistõttu näidise valgustusparameetrid nii, et võimalikult väike ala langeb heledasse piirkonda. Kombinatsioonis matemaatiliste algoritmidega, mis võimaldavad näiteks varjundit eemaldada, tõstab selline suunavalgustus järsult pildistamise kvaliteeti. Võimalik on näiteks uurida rakusiseseid struktuure optilise mikroskoobiga ja isegi (kirjeldatud meetodi kombineerimisel konfokaalse mikroskoopiaga) saada nende kolmemõõtmelisi pilte.
Elektronmikroskoop elektroonikaseadmetele
Aatomite ja molekulide avastamiseks ei pidanud teadlased neid vaatama – molekulaarteooria ei pidanud nägema objekti. Kuid mikrobioloogia sai võimalikuks alles pärast mikroskoobi leiutamist. Seetõttu seostati mikroskoope algul just meditsiini ja bioloogiaga: füüsikud ja keemikud, kes uurisid palju väiksemaid objekte, said hakkama muude vahenditega. Kui nad soovisid vaadata ka mikrokosmost, muutusid difraktsioonipiirangud tõsiseks probleemiks, eriti kuna ülalkirjeldatud fluorestsentsmikroskoopia meetodid olid endiselt tundmatud. Ja eraldusvõimet 500 nanomeetrilt 100-le pole mõtet tõsta, kui uuritav objekt on veelgi väiksem!
Teades, et elektronid võivad käituda nii laine kui ka osakestena, lõid Saksamaa füüsikud 1926. aastal elektroonilise läätse. Selle aluseks olev idee oli väga lihtne ja igale koolilapsele arusaadav: kuna elektromagnetväli suunab elektrone kõrvale, saab selle abil muuta nende osakeste kiire kuju, tõmmates neid laiali või, vastupidi, vähendada kiire läbimõõtu. . Viis aastat hiljem, 1931. aastal, ehitasid Ernst Ruska ja Max Knoll maailma esimese elektronmikroskoobi. Seadmes valgustati näidist esmalt elektronkiire ja seejärel laiendas elektronlääts edastatavat kiirt, enne kui see spetsiaalsele luminestsentsekraanile langes. Esimene mikroskoop andis vaid 400-kordse suurenduse, kuid valguse asendamine elektronidega avas tee sadu tuhandeid kordi suurendusega pildistamisele: disaineritel tuli ületada vaid mitu tehnilist takistust.
Elektronmikroskoop võimaldas uurida rakkude ehitust seni saavutamatus kvaliteedis. Kuid selle pildi järgi on võimatu aru saada rakkude vanusest ja teatud valkude olemasolust neis ning see teave on teadlastele väga vajalik.
Elektronmikroskoobid võimaldavad nüüd viiruste lähivõtet teha. Seadmeid on mitmesuguseid modifikatsioone, mis võimaldavad mitte ainult läbi näha õhukesi sektsioone, vaid ka vaadata neid "peegeldunud valguses" (muidugi peegeldunud elektronides). Me ei hakka üksikasjalikult kirjeldama kõiki mikroskoopide versioone, kuid pange tähele, et hiljuti on teadlased õppinud, kuidas pilti difraktsioonimustri järgi rekonstrueerida.
Puudutage, mitte arvestage
Järjekordne revolutsioon on tulnud edasisest kõrvalekaldumisest "valguse ja vaata" põhimõttest. Aatomjõumikroskoop, nagu ka skaneeriv tunnelmikroskoop, ei paista enam proovide pinnale. Selle asemel liigub üle pinna eriti õhuke nõel, mis sõna otseses mõttes põrkab isegi üksiku aatomi suuruste ebatasasuste peale.
Kõikide selliste meetodite üksikasjadesse laskumata märgime peamise asja: tunnelmikroskoobi otsa ei saa mitte ainult mööda pinda liigutada, vaid kasutada ka aatomite ümberpaigutamiseks ühest kohast teise. Nii loovad teadlased pealdisi, jooniseid ja isegi koomikseid, kus maalitud poiss mängib aatomiga. Tõeline ksenooni aatom, mida lohistab skaneeriva tunnelmikroskoobi ots.
Tunnelmikroskoopi kutsutakse seetõttu, et see kasutab otsa läbiva tunnelivoolu efekti: elektronid läbivad otsa ja pinna vahelise pilu tänu kvantmehaanika ennustatud tunneliefektile. Sellise seadme tööks on vaja vaakumit.
Aatomjõumikroskoop (AFM) on ümbritsevate tingimuste suhtes palju vähem nõudlik – see võib (mitmete piirangutega) töötada ilma õhu evakueerimiseta. Teatud mõttes on AFM grammofoni nanotehnoloogiline järglane. Nõel, mis on kinnitatud õhukesele ja painduvale konsoolvarrele ( konsool ja seal on "klamber"), liigub piki pinda ilma sellele pinget rakendamata ja järgib näidise reljeefi samamoodi nagu grammofoni nõel järgib grammofoniplaadi sooni. Konsooli painutamine sunnib sellele kinnitatud peegli kõrvale kalduma, peegel laserkiire ja see võimaldab väga täpselt määrata uuritava proovi kuju. Peaasi, et nõela liigutamiseks oleks piisavalt täpne süsteem ja nõelte varu, mis peavad olema täiesti teravad. Selliste nõelte otste kõverusraadius ei tohi ületada ühte nanomeetrit.
AFM võimaldab näha üksikuid aatomeid ja molekule, kuid sarnaselt tunnelmikroskoobiga ei võimalda see vaadata proovi pinna alla. Teisisõnu peavad teadlased valima aatomite nägemise ja kogu objekti kui terviku uurimise vahel. Kuid isegi optiliste mikroskoopide puhul ei ole uuritavate proovide sisemused alati ligipääsetavad, sest mineraalid või metallid lasevad tavaliselt valgust halvasti läbi. Lisaks tekivad endiselt raskused aatomite pildistamisel – need objektid paistavad lihtsate kuulidena, elektronpilvede kuju sellistel fotodel näha ei ole.
Kiirenditega kiirendatud laetud osakeste aeglustumisel tekkiv sünkrotronkiirgus võimaldab uurida eelajalooliste loomade kivistunud jäänuseid. Röntgeni all proovi pöörates saame kolmemõõtmelisi tomogramme - nii leiti näiteks 300 miljonit aastat tagasi välja surnud kalade kolju seest aju. Pöörlemisest võib loobuda ka siis, kui ülekantav kiirgus registreeritakse difraktsiooni tõttu hajutatud röntgenikiirte fikseerimise teel.
Ja see pole veel kõik võimalused, mida röntgenikiirgus avab. Sellega kiiritades fluorestseerivad paljud materjalid ja fluorestsentsi olemuse järgi on võimalik määrata aine keemilist koostist: nii värvivad teadlased iidseid esemeid, keskajal kustutatud Archimedese teoseid või värvi. ammu väljasurnud lindude sulgedest.
Aatomid poseerivad
Kõigi röntgeni- või optilis-fluorestsentsmeetodite pakutavate võimaluste taustal ei tundu uus viis üksikute aatomite pildistamiseks teaduses nii suur läbimurre. Meetodi olemus, mis võimaldas sel nädalal esitletud pilte saada, on järgmine: ioniseeritud aatomitelt eemaldatakse elektronid ja saadetakse need spetsiaalsesse detektorisse. Iga ionisatsiooniakt eemaldab elektroni teatud positsioonist ja annab "fotol" ühe punkti. Olles kogunud mitu tuhat sellist punkti, on teadlased moodustanud pildi, mis näitab kõige tõenäolisemaid kohti elektroni tuvastamiseks aatomi tuuma ümber ja see on definitsiooni järgi elektronipilv.
Kokkuvõtteks olgu öeldud, et võime näha üksikuid aatomeid koos nende elektronpilvedega on pigem kirsiks tänapäevase mikroskoopia tordil. Teadlaste jaoks oli oluline uurida materjalide struktuuri, uurida rakke ja kristalle ning sellest tulenev tehnoloogia areng võimaldas jõuda vesinikuaatomini. Kõik vähem on juba osakestefüüsika spetsialistide huviorbiidis. Ja bioloogidel, materjaliteadlastel ja geoloogidel on veel ruumi mikroskoope täiustada, isegi üsna tagasihoidliku suurendusega aatomite taustal. Näiteks neurofüsioloogia spetsialistid on juba ammu soovinud seadet, mis näeks üksikuid rakke elava aju sees, ning kulgurite loojad müüksid oma hinge elektronmikroskoobi jaoks, mis roniks kosmoselaeva pardale ja saaks töötada Marsil.
Nagu teate, koosneb kõik Universumi materiaalne aatomitest. Aatom on aine väikseim ühik, mis kannab oma omadusi. Aatomi struktuur koosneb omakorda mikroosakeste maagilisest kolmainsusest: prootonitest, neutronitest ja elektronidest.
Lisaks on kõik mikroosakesed universaalsed. See tähendab, et te ei leia maailmast kahte erinevat prootonit, neutronit ega elektroni. Nad kõik on absoluutselt sarnased. Ja aatomi omadused sõltuvad ainult nende mikroosakeste kvantitatiivsest koostisest aatomi üldises struktuuris.
Näiteks vesinikuaatomi struktuur koosneb ühest prootonist ja ühest elektronist. Järgmine keerukuse poolest koosneb heeliumi aatom kahest prootonist, kahest neutronist ja kahest elektronist. Liitiumi aatom koosneb kolmest prootonist, neljast neutronist ja kolmest elektronist jne.
Aatomi struktuur (vasakult paremale): vesinik, heelium, liitium
Aatomid ühinevad molekulideks ja molekulid aineteks, mineraalideks ja organismideks. DNA molekul, mis on kõigi elusolendite aluseks, on struktuur, mis on kokku pandud samast kolmest universumi maagilisest tellisest nagu teel lebav kivi. Kuigi see struktuur on palju keerulisem.
Veelgi üllatavamad faktid ilmnevad siis, kui püüame aatomisüsteemi proportsioone ja ehitust lähemalt uurida. On teada, et aatom koosneb tuumast ja elektronidest, mis liiguvad selle ümber mööda kera kirjeldavat trajektoori. See tähendab, et seda ei saa isegi nimetada liikumiseks selle sõna tavalises tähenduses. Elektroni leidub pigem kõikjal ja vahetult selles sfääris, luues tuuma ümber elektronipilve ja moodustades elektromagnetvälja.
Aatomi struktuuri skemaatilised kujutised
Aatomi tuum koosneb prootonitest ja neutronitest ning sellesse on koondunud peaaegu kogu süsteemi mass. Kuid samal ajal on tuum ise nii väike, et kui suurendada selle raadiust 1 cm-ni, ulatub kogu aatomistruktuuri raadius sadadesse meetritesse. Seega kõik, mida me tajume tiheda ainena, koosneb enam kui 99% füüsiliste osakeste vahelistest energiaühendustest ja vähem kui 1% füüsilistest vormidest endist.
Aga mis need füüsilised vormid on? Millest need tehtud on ja kui materjalist need on? Nendele küsimustele vastamiseks vaatame lähemalt prootonite, neutronite ja elektronide struktuure. Niisiis, laskume veel ühe sammu mikromaailma sügavustesse – subatomaarsete osakeste tasemele.
Millest elektron koosneb?
Aatomi väikseim osake on elektron. Elektronil on mass, aga ruumala puudub. Teaduslikus vaates ei koosne elektron millestki, vaid on struktuurita punkt.
Elektroni pole mikroskoobi all näha. Seda täheldatakse ainult elektronpilve kujul, mis näeb välja nagu udune kera aatomituuma ümber. Samas on võimatu täpselt öelda, kus elektron hetkel hetkel asub. Seadmed suudavad tabada mitte osakest ennast, vaid ainult selle energiajälgi. Elektroni olemus ei ole mateeria mõistesse sisse lülitatud. Pigem on see nagu mingi tühi vorm, mis eksisteerib ainult liikumises ja liikumise tõttu.
Siiani pole elektronis struktuuri leitud. See on sama punktitaoline osake kui energiakvant. Tegelikult on elektron energia, kuid see on selle stabiilsem vorm kui see, mida kujutavad valguse footonid.
Hetkel loetakse elektroni jagamatuks. See on arusaadav, sest seda, millel puudub maht, on võimatu jagada. Kuid teoreetiliselt on juba arenguid, mille kohaselt elektroni koostis sisaldab selliste kvaasiosakeste kolmikut nagu:
- Orbiton - sisaldab teavet elektroni orbiidi asukoha kohta;
- Spinon vastutab pöörlemise või pöördemomendi eest;
- Holon – kannab infot elektroni laengu kohta.
Kuid nagu näeme, ei ole kvaasiosakestel ainega enam midagi ühist ja nad kannavad ainult ühte teavet.
Erinevate ainete aatomite fotod elektronmikroskoobis
Huvitav on see, et elektron võib neelata energiakvante, näiteks valgust või soojust. Sel juhul liigub aatom uuele energiatasemele ja elektronpilve piirid laienevad. Juhtub ka seda, et elektroni neeldunud energia on nii suur, et ta suudab aatomisüsteemist välja hüpata ja seejärel iseseisva osakesena oma liikumist jätkata. Samal ajal käitub see nagu valguse footon, see tähendab, et ta lakkab olemast osake ja hakkab manifesteerima laine omadusi. See on eksperimentaalselt tõestatud.
Jungi eksperiment
Katse käigus suunati elektronide voog ekraanile, millest oli läbi lõigatud kaks pilu. Neid pilusid läbides põrkasid elektronid kokku teise – projektsioon – ekraani pinnaga, jättes sellele oma jälje. Sellise elektronidega "pommitamise" tulemusel tekkis projektsiooniekraanile interferentsmuster, mis sarnaneb sellega, mis ilmneks siis, kui kahte pilu läbiksid lained, kuid mitte osakesed.
Selline muster tuleneb asjaolust, et kahe pilu vahelt läbiv laine jaguneb kaheks laineks. Edasise liikumise tulemusena kattuvad lained üksteisega ja mõnel pool toimub nende vastastikune sumbumine. Selle tulemusena saame projektsiooniekraanile palju triipe, mitte ühe triipu, nagu see oleks siis, kui elektron käituks osakesena.
Aatomi tuuma struktuur: prootonid ja neutronid
Prootonid ja neutronid moodustavad aatomi tuuma. Ja hoolimata asjaolust, et südamik hõivab vähem kui 1% kogumahust, on sellesse struktuuri koondunud peaaegu kogu süsteemi mass. Kuid prootonite ja neutronite struktuuri arvelt jagati füüsikuid ja hetkel on kaks teooriat korraga.
- Teooria nr 1 – standard
Standardmudel ütleb, et prootonid ja neutronid koosnevad kolmest kvargist, mis on ühendatud gluoonide pilvega. Kvargid on punktosakesed, nagu ka kvantid ja elektronid. Ja gluoonid on virtuaalsed osakesed, mis tagavad kvarkide vastasmõju. Siiski pole loodusest leitud ei kvarke ega gluoone, seetõttu saab seda mudelit karmilt kritiseerida.
- 2. teooria – alternatiiv
Kuid Einsteini välja töötatud alternatiivse ühtse välja teooria kohaselt on prooton, nagu neutron, nagu iga teinegi füüsilise maailma osake, valguse kiirusel pöörlev elektromagnetväli.
Inimese ja planeedi elektromagnetväljad
Millised on aatomi ehituse põhimõtted?
Kõik maailmas – õhuke ja tihe, vedel, tahke ja gaasiline – on vaid lugematute Universumi ruumi läbivate väljade energiaseisundid. Mida kõrgem on energiatase väljas, seda hõredam ja vähem tajutav see on. Mida madalam on energiatase, seda stabiilsem ja käegakatsutavam see on. Aatomi struktuuris, nagu iga teise Universumi üksuse struktuuris, on selliste väljade vastastikmõju – erineva energiatihedusega. Selgub, et mateeria on vaid mõistuse illusioon.
Aatomi enda, mitte selle osa pildistamine tundus aga ülimalt keeruline ülesanne isegi kõige kõrgtehnoloogilisemate seadmete kasutamisel.
Fakt on see, et kvantmehaanika seaduste kohaselt ei ole võimalik subatomaarse osakese kõiki omadusi võrdselt täpselt määrata. See teoreetilise füüsika osa on üles ehitatud Heisenbergi määramatuse printsiibile, mis ütleb, et osakese koordinaate ja impulssi võrdselt täpselt mõõta on võimatu – ühe omaduse täpsed mõõtmised muudavad kindlasti ka andmeid teise kohta.
Seetõttu pakub kvantteooria asukoha määramise (osakese koordinaatide) asemel välja nn lainefunktsiooni mõõtmise.
Lainefunktsioon toimib samamoodi nagu helilaine. Ainus erinevus seisneb selles, et helilaine matemaatiline kirjeldus määrab kindlaks molekulide liikumise õhus teatud kohas ja lainefunktsioon kirjeldab Schrödingeri võrrandi järgi osakese esinemise tõenäosust teatud kohas.
Lainefunktsiooni mõõtmine on samuti keeruline (otsesed vaatlused viivad selle kokkuvarisemiseni), kuid teoreetilised füüsikud suudavad selle väärtusi umbkaudu ennustada.
Kõiki lainefunktsiooni parameetreid on võimalik eksperimentaalselt mõõta ainult siis, kui need on kogutud eraldi destruktiivsetest mõõtmistest, mis on tehtud täiesti identsetel aatomite või molekulide süsteemidel.
Hollandi uurimisinstituudi AMOLF füüsikud esitlesid uut meetodit, mis ei nõua mingit "ümberstruktureerimist" ja avaldasid oma töö tulemused ajakirjas Physical Review Letters. Nende metoodika põhineb kolme Nõukogude teoreetilise füüsiku 1981. aasta hüpoteesil, aga ka hilisematel uurimustel.
Eksperimendi käigus suunas teadlaste meeskond kaks laserkiirt vesinikuaatomitele, mis asetati spetsiaalsesse kambrisse. Selle efekti tulemusena lahkusid elektronid oma orbiitidelt kiiruse ja suunaga, mille määrasid nende lainefunktsioonid. Tugev elektriväli kambris, kus asusid vesinikuaatomid, suunas elektronid tasapinnalise (lame)detektori teatud osadesse.
Detektorit tabanud elektronide asukoha määras nende algkiirus, mitte asukoht kambris. Seega rääkis elektronide jaotus detektoril teadlastele nende osakeste lainefunktsioonist, mis neil oli vesinikuaatomi tuuma orbiidilt lahkudes.
Elektronide liikumist kuvati fosforestseeruval ekraanil tumedate ja heledate rõngaste kujul, mida teadlased pildistasid kõrge eraldusvõimega digikaameraga.
"Oleme oma tulemustega väga rahul. Kvantmehaanil on inimeste igapäevaeluga nii vähe pistmist, et vaevalt oleks kellelgi tulnud pähe teha tõelist fotot kvantinteraktsioonidest aatomis," ütleb juhtivautor Aneta Stodolna. Ta väidab ka, et väljatöötatud tehnikal võib olla praktilisi rakendusi, näiteks aatomi paksuste juhtmete loomiseks, molekulaarjuhtme tehnoloogia arendamiseks, mis täiustab oluliselt kaasaegseid elektroonikaseadmeid.
"On tähelepanuväärne, et katse viidi läbi täpselt vesinikuga – samal ajal meie universumi kõige lihtsamal ja levinumal ainel. Tuleb aru saada, kas seda tehnikat saab rakendada ka keerulisemate aatomite puhul. aga ka nanotehnoloogia, " ütleb Jeff Lundeen Ottawa ülikoolist, kes ei osalenud uuringus.
Eksperimendi läbi viinud teadlased ise aga asja praktilisele poolele ei mõtle. Nad usuvad, et nende avastus on eelkõige seotud fundamentaalteadusega, mis aitab edasi anda rohkem teadmisi tulevastele füüsikute põlvkondadele.
PostNauka lükkab ümber teaduslikud müüdid ja selgitab levinud väärarusaamu. Palusime oma ekspertidel kommenteerida populaarseid ideid aatomite struktuuri ja omaduste kohta.
Rutherfordi mudel vastab tänapäevastele ideedele aatomi struktuuri kohta
See on tõsi, kuid osaliselt. Aatomi planeedimudeli, milles kerged elektronid tiirlevad ümber raske tuuma, nagu planeedid ümber Päikese, pakkus välja Ernest Rutherford 1911. aastal pärast seda, kui tema laboris avastati tuum ise. Pommitades metallfooliumilehte alfaosakestega, leidsid teadlased, et valdav enamus osakestest läbib fooliumit nagu valgus läbi klaasi. Kuid väike osa neist – umbes üks 8000-st – kajastus tagasi allikani. Rutherford selgitas neid tulemusi sellega, et mass ei jaotu aines ühtlaselt, vaid on koondunud "klompidesse" – aatomituumadesse, mis kannavad positiivset laengut, mis tõrjub positiivselt laetud alfaosakesi. Kerged negatiivselt laetud elektronid väldivad tuumale "kukkumist" nende ümber pöörledes, nii et tsentrifugaaljõud tasakaalustab elektrostaatilist külgetõmmet.
Räägitakse, et selle mudeli leiutamisel hüüatas Rutherford: "Nüüd ma tean, milline aatom välja näeb!" Ent peagi, pärast inspiratsiooni, mõistis Rutherford oma idee viga. Pöörledes ümber tuuma, tekitab elektron enda ümber vahelduvaid elektri- ja magnetvälju. Need väljad levivad valguse kiirusel elektromagnetlaine kujul. Ja selline laine kannab endas energiat! Selgub, et ümber tuuma tiirledes kaotab elektron pidevalt energiat ja miljardisekundi jooksul langeb tuumale. (Võib tekkida küsimus, kas Päikesesüsteemi planeetide puhul on võimalik rakendada sama argumenti: miks nad ei lange päikesele? Vastus: gravitatsioonilained, kui nad üldse eksisteerivad, on elektromagnetilistest palju nõrgemad ja kui need on olemas? planeetidele salvestatud energia on palju suurem kui elektronides, seega on planeetide "võimsusreserv" mitu suurusjärku suurem.)
Rutherford andis oma kaastöötajale, noorele teoreetikule Niels Bohrile ülesandeks vastuolu lahendada. Pärast kaheaastast töötamist leidis Bohr osalise lahenduse. Ta oletas, et elektroni kõigi võimalike orbiitide hulgas on selliseid, millel elektron võib olla pikka aega ilma kiirgamata. Elektron võib liikuda ühelt statsionaarselt orbiidilt teisele, neelates või kiirgades samal ajal elektromagnetvälja kvanti, mille energia on võrdne kahe orbiidi energiate vahega. Kasutades selleks ajaks juba avastatud kvantfüüsika algpõhimõtteid, suutis Bohr välja arvutada statsionaarsete orbiitide parameetrid ja vastavalt ka üleminekutele vastavate kiirguskvantide energiad. Selleks ajaks mõõdeti neid energiaid spektroskoopiliste meetoditega ja Bohri teoreetilised ennustused langesid peaaegu ideaalselt kokku nende mõõtmiste tulemustega!
Vaatamata sellele võidukale tulemusele ei selgitanud Bohri teooria vaevalt aatomifüüsika küsimust, sest see oli poolempiiriline: postuleerides statsionaarsete orbiitide olemasolu, ei selgitanud see kuidagi nende füüsilist olemust. Probleemi põhjalik selgitamine nõudis veel vähemalt kaks aastakümmet, mille jooksul arendati välja kvantmehaanika kui süstemaatiline, terviklik füüsikateooria.
Selle teooria raames järgib elektron määramatuse printsiipi ja seda ei kirjelda mitte materiaalne punkt, nagu planeet, vaid lainefunktsioon, mis on "määrdunud" kogu orbiidile. Igal ajahetkel on see kõikidele orbiidi punktidele vastavate olekute superpositsioonis. Kuna lainefunktsiooniga määratud massijaotuse tihedus ruumis ei sõltu ajast, ei teki elektroni ümber vahelduvat elektromagnetvälja; energiakadu pole.
Seega annab planetaarmudel õige visuaalse esituse sellest, kuidas aatom välja näeb – Rutherfordil oli oma hüüatuses õigus. Siiski ei anna see selgitust aatomi toimimise kohta: see seade on palju keerulisem ja sügavam kui see, mida Rutherford modelleeris.
Kokkuvõtteks tahaksin märkida, et planeedimudeli "müüt" on selle intellektuaalse draama keskmes, mis põhjustas sada aastat tagasi pöördepunkti füüsikas ja kujundas suurel määral seda teadust selle tänapäevases. vormi.
Aleksander Lvovski
PhD füüsikas, Calgary ülikooli füüsikateaduskonna professor, teadusrühma juht, Venemaa kvantkeskuse teadusnõukogu liige, teadusajakirja Optics Express toimetaja
Üksikuid aatomeid saab juhtida
See on tõsi. Muidugi saab, miks mitte? Saate juhtida aatomi erinevaid parameetreid ja aatomil on neid palju: tal on asend ruumis, kiirus ja on ka sisemised vabadusastmed. Sisemised vabadusastmed määravad ära aatomi magnetilised ja elektrilised omadused, aga ka valmisoleku kiirata valgust või raadiolaineid. Olenevalt aatomi siseolekust võib ta olla rohkem või vähem aktiivne kokkupõrgetes ja keemilistes reaktsioonides, muuta ümbritsevate aatomite omadusi ning tema reaktsioon välistele väljadele sõltub sisemisest olekust. Näiteks meditsiinis kasutatakse nn polariseeritud gaase kopsude tomogrammide koostamiseks - sellistes gaasides on kõik aatomid samas sisemises olekus, mis võimaldab "näha" nende reaktsiooniga täidetud mahtu.
Aatomi kiiruse või selle asukoha juhtimine pole nii keeruline, palju keerulisem on valida kontrollimiseks täpselt üks aatom. Aga seda saab ka teha. Üks sellise aatomi eraldamise lähenemisviise realiseeritakse laserjahutuse abil. Juhtimiseks on alati mugav omada algset asukohta, on väga hea, kui aatom ikka samal ajal ei liigu. Laserjahutus võimaldab saavutada mõlemat, lokaliseerida aatomeid ruumis ja jahutada, st vähendada nende kiirust peaaegu nullini. Laserjahutuse põhimõte on sama mis reaktiivlennukil, ainult viimane kiirgab kiirendamiseks gaasijoa ja esimesel juhul neelab aatom vastupidiselt footonite voo (valgusosakesed) ja aeglustab. . Kaasaegsed laserjahutusmeetodid võimaldavad jahutada miljoneid aatomeid jalakäijate kiiruseni ja alla selle. Järgmisena tulevad mängu mitmesugused passiivsed lõksud, näiteks dipoollõks. Kui laserjahutuseks kasutatakse valgusvälja, mida aatom aktiivselt neelab, siis dipoollõksus hoidmiseks valitakse valguse sagedus kaugel igasugusest neeldumisest. Selgub, et kõrgelt fokuseeritud laservalgus on võimeline polariseerima väikseid osakesi ja tolmuosakesi ning tõmbama need suurima valgustugevusega piirkonda. Aatom pole erand ja see on samuti tõmmatud tugevaima välja piirkonda. Selgub, et kui valgust võimalikult tugevalt fokuseerida, siis saab sellises lõksus hoida ainult täpselt ühte aatomit. Fakt on see, et kui teine satub lõksu, surutakse ta esimese vastu nii tugevalt, et nad moodustavad molekuli ja kukuvad samal ajal lõksust välja. Selline terav teravustamine pole aga ainus viis üksiku aatomi eraldamiseks, laetud aatomite, ioonide puhul saab kasutada ka aatomi interaktsiooni omadusi resonaatoriga, elektrivälju saab kasutada täpselt ühe iooni tabamiseks ja piiramiseks, ja nii edasi. Võib isegi ergutada ühe aatomi üsna piiratud aatomite kogumis väga tugevasti ergastatud, nn Rydbergi olekusse. Aatom, mis on kord ergastatud Rydbergi olekusse, blokeerib võimaluse oma naabreid samasse olekusse ergutada ja kui aatomite maht on piisavalt väike, on see ainulaadne.
Nii või teisiti saab pärast aatomi lõksu sattumist sellega manipuleerida. Sisemist olekut saab muuta valgus- ja raadiosagedusväljade abil, kasutades selleks soovitud sagedusi ja elektromagnetlaine polarisatsiooni. Aatomit on võimalik üle kanda mis tahes ettemääratud olekusse, olgu selleks siis teatud olek – tase või nende superpositsioon. Ainus küsimus on vajalike sageduste olemasolus ja võimes teha piisavalt lühikesi ja võimsaid juhtimpulsse. Hiljuti sai võimalikuks aatomeid tõhusamalt juhtida, hoides neid nanostruktuuride läheduses, mis võimaldab mitte ainult aatomiga tõhusamalt "rääkida", vaid kasutada ka aatomit ennast - täpsemalt selle sisemisi olekuid - juhtimiseks. valgusvoogudele ja tulevikus võib-olla arvutuslikel eesmärkidel.
Lõksu poolt hoitava aatomi asukoha juhtimine on väga lihtne ülesanne – lihtsalt liigutage lõksu ennast. Dipoollõksu puhul liiguta valguskiirt, mida saab teha näiteks lasershow jaoks liigutatavate peeglitega. Aatomi kiirust saab anda jällegi reaktiivsel viisil – et ta neelaks valgust ja ioon saaks kergesti hajutada elektriväljade abil, nii nagu seda tehti katoodkiiretorudes. Nii et tänapäeval saab aatomiga põhimõtteliselt kõike teha, see on vaid aja ja vaeva küsimus.
Aleksei Akimov
Aatom on jagamatu
Osaliselt tõsi, osalt mitte. Vikipeedia annab meile järgmise definitsiooni: “Aatom (vanakreeka keelest ἄτομος – jagamatu, lõikamata) on mikroskoopilise suuruse ja massiga aineosake, keemilise elemendi väikseim osa, mis on selle omaduste kandja. Aatom koosneb aatomi tuumast ja elektronidest.
Iga haritud inimene esindab nüüd Rutherfordi mudelis aatomit, mis on kokku võetud selle üldtunnustatud määratluse viimases lauses. Näib, et vastus sellele küsimusele / müüdile on ilmne: aatom on komposiit ja keeruline objekt. Olukord pole aga nii sirgjooneline. Vanad filosoofid panid aatomi määratlusse pigem elementaarse ja jagamatu aineosakese olemasolu tähenduse ning vaevalt seostasid probleemi perioodilisustabeli elementide struktuuriga. Rutherfordi aatomis leiame tõesti sellise osakese – see on elektron.
Elektron vastavalt kaasaegsetele kontseptsioonidele, mis sobivad nn
"> Standardmudel on punkt, mille olekut kirjeldatakse asukoha ja kiirusega. On oluline, et nende kinemaatiliste karakteristikute samaaegne omistamine on Heisenbergi määramatuse printsiibi tõttu võimatu, kuid ainult ühte neist, näiteks koordinaati, on võimalik määrata meelevaldselt suure täpsusega.
Kas siis on võimalik tänapäevaste katsetehnikate abil püüda elektroni lokaliseerida aatomi suurusest oluliselt väiksemal skaalal (~ 0,5 * 10-8 cm) ja kontrollida selle punktitaolist olemust? Selgub, et püüdes lokaliseerida elektroni nn Comptoni lainepikkuse skaalal – umbes 137 korda väiksem kui vesinikuaatomi suurus – interakteerub elektron oma antiainega ja süsteem muutub ebastabiilseks.
Elektroni ja aine teiste elementaarosakeste punkt ja jagamatus on väljateoorias lühimaa interaktsiooni põhimõtte võtmeelement ja see esineb kõigis loodust kirjeldavates põhivõrrandites. Seega ei olnud iidsed filosoofid tõest nii kaugel, eeldades, et aine jagamatud osakesed eksisteerivad.
Dmitri Kuprijanov
füüsika- ja matemaatikateaduste doktor, füüsikaprofessor, Peterburi Riiklik Polütehniline Ülikool, juhataja. SPbSPU teoreetilise füüsika osakond
See on teadusele veel teadmata. Rutherfordi pakutud aatomi planetaarmudel eeldas, et elektronid tiirlevad ümber aatomituuma, nagu planeedid tiirlevad ümber päikese. Sel juhul oli loomulik eeldada, et elektronid on tahked sfäärilised osakesed. Rutherfordi klassikaline mudel oli iseendale vasturääkiv. Ilmselgelt peaksid liikuvad kiirendatud laetud osakesed (elektronid) elektromagnetkiirguse tõttu energiat kaotama ja lõpuks langema aatomituumadele.
Niels Bohr tegi ettepaneku see protsess keelata ja kehtestada teatud nõuded nende orbiitide raadiustele, mida mööda elektronid liiguvad. Bohri fenomenoloogiline mudel andis teed Heisenbergi välja töötatud aatomi kvantmudelile ja Schrödingeri välja pakutud aatomi kvantmudelile, kuid visuaalsemale mudelile. Schrödingeri mudelis ei ole elektronid enam orbiidil lendavad kuulid, vaid seisulained, mis nagu pilved ripuvad aatomituuma kohal. Nende "pilvede" kuju kirjeldas Schrödingeri juurutatud lainefunktsioon.
Kohe tekkis küsimus: mis on lainefunktsiooni füüsiline tähendus? Vastuse pakkus Max Born: lainefunktsiooni mooduli ruut on elektroni leidmise tõenäosus antud ruumipunktis. Ja siit algasid raskused. Tekkis küsimus: mida tähendab elektroni leidmine antud ruumipunktis? Kas ei peaks Borni väidet mõista kui äratundmist, et elektron on väike kuul, mis lendab mööda teatud trajektoori ja mida on võimalik selle trajektoori teatud punktis teatud tõenäosusega kinni püüda?
Sellest seisukohast jäid kinni Schrodinger ja Albert Einstein, kes temaga selles küsimuses ühinesid. Neile olid vastu Kopenhaageni koolkonna füüsikud - Niels Bohr ja Werner Heisenberg, kes väitsid, et elektroni lihtsalt ei eksisteeri mõõtmissündmuste vahel, mis tähendab, et pole mõtet rääkida selle liikumise trajektoorist. Bohri ja Einsteini arutelu kvantmehaanika tõlgendamise üle on ajalukku läinud. Võitja näis olevat Bohr: tal õnnestus, kuigi mitte väga selgelt, ümber lükata kõik Einsteini sõnastatud paradoksid ja isegi Schrödingeri 1935. aastal sõnastatud kuulus "Schrödingeri kassi" paradoks. Enamik füüsikuid nõustus mitukümmend aastat Bohriga, et mateeria ei ole objektiivne reaalsus, mis on meile aistingutes antud, nagu õpetas Karl Marx, vaid miski, mis tekib alles vaatlushetkel ja ei eksisteeri ilma vaatlejata. Huvitaval kombel õpetati nõukogude ajal ülikoolide filosoofiaosakondades, et selline vaatenurk on subjektiivne idealism ehk suund, mis läheb vastuollu objektiivse materialismiga – Marxi, Engelsi, Lenini ja Einsteini filosoofiaga. Samal ajal õpetati füüsikaosakondades õpilastele, et Kopenhaageni koolkonna mõisted on ainsad õiged (võib-olla sellepärast, et sellesse koolkonda kuulus Nõukogude kuulsaim teoreetiline füüsik Lev Landau).
Hetkel lähevad füüsikute arvamused lahku. Ühest küljest on kvantmehaanika Kopenhaageni tõlgendus jätkuvalt populaarne. Katsed selle tõlgenduse paikapidavust eksperimentaalselt testida (näiteks prantsuse füüsiku Alain Aspe'i nn Belli ebavõrdsuse edukas test) pälvivad teadlaskonna peaaegu ühehäälse heakskiidu. Teisest küljest arutavad teoreetikud üsna rahulikult alternatiivsete teooriate üle, näiteks paralleelmaailmade teooria üle. Tulles tagasi elektroni juurde, võib öelda, et selle võimalused piljardipalliks jääda pole veel kuigi suured. Samal ajal on need nullist erinevad. 1920. aastatel võimaldas just Comptoni hajumise piljardimudel tõestada, et valgus koosneb kvantidest – footonitest. Paljude oluliste ja kasulike seadmetega (dioodid, transistorid) seotud probleemide puhul on mugav pidada elektroni piljardipalliks. Elektroni laineline olemus on oluline peenemate mõjude, näiteks metallide negatiivse magnetresistentsuse kirjeldamiseks.
Filosoofiline küsimus, kas mõõtmistoimingute vahel on kuulelektron, ei oma tavaelus suurt tähtsust. See küsimus on aga jätkuvalt kaasaegse füüsika üks tõsisemaid probleeme.
Aleksei Kavokin
PhD füüsikas ja matemaatikas, Southamptoni ülikooli professor, Venemaa kvantkeskuse kvantpolaritoonika rühma juht, Vahemere Fundamentaalfüüsika Instituudi (Itaalia) teadusdirektor
Aatomi võib täielikult hävida
See on tõsi. Katkestada mitte ehitada. Kõike saab hävitada, sealhulgas aatomit, mis tahes täielikkuse astmega. Aatom esimeses lähenduses on positiivselt laetud tuum, mida ümbritsevad negatiivselt laetud elektronid. Esimene hävitav tegevus, mida aatomi suhtes teha saab, on elektronide eemaldamine sellelt. Seda saab teha erineval viisil: sellele saab fokuseerida võimsa laserkiirguse, kiiritada kiirete elektronide või muude kiirete osakestega. Aatomit, mis on kaotanud osa elektronidest, nimetatakse iooniks. Just sellises olekus asuvad aatomid Päikesel, kus temperatuurid on nii kõrged, et aatomitel on praktiliselt võimatu oma elektrone kokkupõrgetes säilitada.
Mida rohkem elektrone aatom on kaotanud, seda keerulisem on ülejäänud osa ära rebida. Sõltuvalt aatomarvust on aatomil rohkem või vähem elektrone. Vesinikuaatomil on üldiselt üks elektron ja ta kaotab selle sageli isegi tavatingimustes ning just elektronid kaotanud vesinik määrab vee pH. Heeliumi aatomil on kaks elektroni ja täielikult ioniseeritud olekus nimetatakse seda alfaosakesteks – selliseid osakesi ootame juba pigem tuumareaktorist kui tavalisest veest. Aatomid, mis sisaldavad palju elektrone, nõuavad kõigi elektronide eraldamiseks veelgi rohkem energiat, kuid sellest hoolimata on võimalik kõiki elektrone eraldada mis tahes aatomist.
Kui kõik elektronid ära rebida, siis tuum jääb alles, aga see võib ka hävida. Tuum koosneb prootonitest ja neutronitest (üldiselt hadronitest) ja kuigi need on üsna tugevalt seotud, võib piisavalt suure energiaga langev osake need lahti rebida. Rasked aatomid, milles on liiga palju neutroneid ja prootoneid, kipuvad ise lagunema, vabastades üsna palju energiat – sellel tuumaelektrijaamade põhimõttel põhinevad.
Kuid isegi kui tuum puruneb, rebenevad kõik elektronid maha, alles jäävad algosakesed: neutronid, prootonid, elektronid. Muidugi saab ka neid hävitada. Tegelikult just seda ta teebki, mis kiirendab prootonid tohutute energiateni, hävitades need kokkupõrgetes täielikult. Samal ajal sünnib palju uusi osakesi, mida põrkur uurib. Sama saab teha elektronide ja muude osakestega.
Hävitatud osakese energia ei kao, see jaotub teiste osakeste vahel ja kui neid on piisavalt, siis on võimatu uute transformatsioonide meres algset osakest kiiresti jälgida. Kõik on hävitatav, erandeid pole.
Aleksei Akimov
PhD füüsikas ja matemaatikas, Venemaa kvantkeskuse grupi "Kvantsimulaatorid" juht, Moskva Füüsika ja Tehnoloogia Instituudi õppejõud, Lebedevi Füüsika Instituudi töötaja, Harvardi Ülikooli teadur