Todellakin, RTCh:n kirjoittaja "heijastuksissaan" meni niin pitkälle, että se herätti raskaita vasta-argumentteja, nimittäin japanilaisten tutkijoiden vetyatomin valokuvaamista koskevan kokeen tiedot, jotka tulivat tunnetuksi 4. marraskuuta 2010. Kuvassa näkyy selkeästi atomin muoto, mikä vahvistaa sekä atomien diskreettisyyden että pyöreyden: "Tokion yliopiston tutkijoiden ja asiantuntijoiden ryhmä valokuvasi ensimmäistä kertaa maailmassa yhden vetyatomin - kevyimmän ja pienimmän kaikista atomeista, uutistoimistojen mukaan.
Kuva on otettu yhdellä uusimmista tekniikoista - erityisellä pyyhkäisyelektronimikroskoopilla. Tämän laitteen avulla yhdessä vetyatomin kanssa kuvattiin yksi vanadiiniatomi.
Vetyatomin halkaisija on yksi kymmenen miljardia metriä. Aikaisemmin uskottiin, että sen kuvaaminen nykyaikaisilla laitteilla oli lähes mahdotonta. Vety on runsain aine. Sen osuus koko maailmankaikkeudesta on noin 90 %.
Tiedemiesten mukaan muita alkuainehiukkasia voidaan siepata samalla tavalla. "Nyt voimme nähdä kaikki atomit, joista maailmamme muodostuu", sanoi professori Yuichi Ikuhara. "Tämä on läpimurto uusiin tuotantomuotoihin, kun tulevaisuudessa on mahdollista tehdä päätöksiä yksittäisten atomien ja molekyylien tasolla."
Vetyatomi, perinteiset värit
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i21/e213001
Ryhmä tutkijoita Saksasta, Kreikasta, Alankomaista, Yhdysvalloista ja Ranskasta otti kuvia vetyatomista. Nämä fotoionisaatiomikroskoopilla saadut kuvat näyttävät elektronitiheysjakauman, joka on täysin yhteneväinen teoreettisten laskelmien tulosten kanssa. Kansainvälisen ryhmän työtä esitellään Physical Review Lettersin sivuilla.
Fotoionisaatiomenetelmän ydin koostuu vetyatomien peräkkäisestä ionisaatiosta, eli elektronin irtautumisesta niistä sähkömagneettisen säteilyn vuoksi. Erotetut elektronit ohjataan herkkään matriisiin positiivisesti varautuneen renkaan kautta, ja elektronin sijainti törmäyshetkellä matriisiin heijastaa elektronin paikkaa atomin ionisaatiohetkellä. Varautunut rengas, joka kääntää elektroneja sivulle, toimii linssinä ja sen avulla kuva suurennetaan miljoonia kertoja.
Tällä vuonna 2004 kuvatulla menetelmällä otettiin jo "valokuvia" yksittäisistä molekyyleistä, mutta fyysikot menivät pidemmälle ja käyttivät fotoionisaatiomikroskooppia vetyatomien tutkimiseen. Koska yhden elektronin isku antaa vain yhden pisteen, tutkijat keräsivät noin 20 tuhatta yksittäistä elektronia eri atomeista ja laativat keskimääräisen kuvan elektronikuorista.
Kvanttimekaniikan lakien mukaan elektronilla ei ole atomissa itsessään mitään tiettyä paikkaa. Vain kun atomi on vuorovaikutuksessa ulkoisen ympäristön kanssa, elektroni ilmenee jollain todennäköisyydellä atomiytimen tietyssä läheisyydessä: aluetta, jossa elektronin havaitsemisen todennäköisyys on suurin, kutsutaan elektronikuoreksi. Uudet kuvat näyttävät erot eri energiatilojen atomien välillä; tutkijat pystyivät visuaalisesti osoittamaan kvanttimekaniikan ennustaman elektronikuoren muodon.
Muilla instrumenteilla, skannaavilla tunnelimikroskoopeilla, yksittäiset atomit voidaan paitsi nähdä, myös siirtää haluttuun paikkaan. Noin kuukausi sitten tällä tekniikalla IBM:n insinöörit pystyivät piirtämään sarjakuvan, jonka jokainen kehys koostuu atomeista: sellaisilla taiteellisilla kokeilla ei ole käytännön vaikutusta, mutta ne osoittavat atomien manipuloinnin perustavanlaatuisen mahdollisuuden. Sovellettavissa tarkoituksiin ei enää käytetä atomikokoonpanoa, vaan kemiallisia prosesseja, joissa nanorakenteita organisoidaan itse tai rajoitetaan monoatomisten kerrosten kasvua substraatilla.
Vetyatomi vangitsee elektronipilviä. Ja vaikka nykyaikaiset fyysikot voivat kiihdyttimien avulla määrittää jopa protonin muodon, vetyatomi jää ilmeisesti pienimmäksi esineeksi, jonka kuvaa on järkevää kutsua valokuvaksi. "Lenta.ru" esittelee yleiskatsauksen nykyaikaisista mikromaailman valokuvausmenetelmistä.
Tarkkaan ottaen tavallinen valokuvaus on lähes poissa nykyään. Kuvat, joita kutsumme tavallisesti valokuviksi ja joita voimme löytää esimerkiksi mistä tahansa "Lenta.ru" -sivuston valokuvareportaannista, ovat itse asiassa tietokonemalleja. Erikoislaitteessa oleva valoherkkä matriisi (perinteisesti sitä kutsutaan edelleen "kameraksi") määrittää valon intensiteetin tilajakauman useilla eri spektrialueilla, ohjauselektroniikka tallentaa nämä tiedot digitaalisessa muodossa ja sitten toinen elektroninen piiri, joka perustuu nämä tiedot antavat komennon nestekidenäytön transistoreille ... Kalvo, paperi, erikoisratkaisut niiden käsittelyyn - kaikesta tästä on tullut eksoottista. Ja jos muistamme sanan kirjaimellisen merkityksen, niin valokuvaus on "valomaalausta". Joten mitä sanoa siitä, mitä tiedemiehet ovat onnistuneet valokuvaamaan atomi, se on mahdollista vain kohtuullisella sopimuksella.
Yli puolet kaikista tähtitieteellisistä kuvista on jo pitkään otettu infrapuna-, ultravioletti- ja röntgenteleskoopeilla. Elektronimikroskooppeja ei säteilytetä valolla, vaan elektronisuihkulla, ja atomivoimamikroskoopit skannaavat näytteen kohokuviota neulalla. On röntgenmikroskoopit ja magneettikuvauslaitteet. Kaikki nämä laitteet antavat meille tarkkoja kuvia erilaisista kohteista, ja huolimatta siitä, että "valomaalauksesta" täällä ei tietenkään tarvitse puhua, uskallamme silti kutsua sellaisia kuvia valokuviksi.
Fyysikkojen kokeet protonin muodon tai kvarkkien jakautumisen määrittämiseksi hiukkasten sisällä jäävät kulissien taakse; tarinamme rajoittuu atomien mittakaavaan.
Optiikka ei koskaan vanhene
Kuten 1900-luvun jälkipuoliskolla kävi ilmi, optisilla mikroskoopeilla on vielä paljon kehitettävää. Ratkaiseva hetki biologisessa ja lääketieteellisessä tutkimuksessa on ollut fluoresoivien väriaineiden ja menetelmien ilmestyminen tiettyjen aineiden selektiiviseen leimaamiseen. Se ei ollut vain uusi maali, se oli todellinen vallankumous.
Vastoin yleistä käsitystä fluoresenssi ei ole ollenkaan hohtoa pimeässä (jälkimmäistä kutsutaan luminesenssiksi). Tämä on ilmiö, jossa tietyn energian kvantit (esimerkiksi sininen valo) imeytyvät, mitä seuraa muiden alhaisemman energian kvanttien ja vastaavasti erilaisen valon säteily (kun sininen absorboituu, vihreät säteilevät). Jos laitat suodattimen, joka päästää vain väriaineen lähettämät kvantit kulkemaan läpi ja vangitsee fluoresenssia aiheuttavan valon, näet tumman taustan, jossa on kirkkaita väripilkkuja, ja väriaineet puolestaan voivat värjätä näytteen erittäin hyvin. valikoivasti.
Voit esimerkiksi maalata hermosolun sytoskeleton punaiseksi, korostaa synapsit vihreäksi ja ytimen siniseksi. Voit tehdä fluoresoivan leiman, jonka avulla voit havaita kalvon proteiinireseptoreita tai solun syntetisoimia molekyylejä tietyissä olosuhteissa. Immunohistokemiallinen värjäys on mullistanut biologian tieteen. Ja kun geenitekniikat oppivat valmistamaan siirtogeenisiä eläimiä fluoresoivilla proteiineilla, tämä menetelmä koki uudestisyntymisen: esimerkiksi hiiristä, joiden hermosolut oli maalattu eri väreillä, tuli todellisuutta.
Lisäksi insinöörit ovat kehittäneet (ja kehittäneet käytännössä) niin sanotun konfokaalimikroskopian menetelmän. Sen olemus piilee siinä, että mikroskooppi tarkentaa erittäin ohuelle kerrokselle ja erityinen kalvo katkaisee tämän kerroksen ulkopuolella olevien esineiden luoman valaistuksen. Tällainen mikroskooppi pystyy skannaamaan näytteen peräkkäin ylhäältä alas ja saada kuvapinon, joka on valmiina pohjana kolmiulotteiselle mallille.
Lasereiden ja kehittyneiden optisten säteen ohjausjärjestelmien käyttö on ratkaissut väriaineen palamisen ja herkkien biologisten näytteiden kuivumisen kirkkaassa valossa ongelman: lasersäde skannaa näytettä vain silloin, kun se on tarpeen kuvausta varten. Ja jotta ei tuhlata aikaa ja vaivaa suuren näytteen tutkimiseen kapealla näkökentällä varustetun okulaarin läpi, insinöörit ehdottivat automaattista skannausjärjestelmää: voit laittaa lasin näytteen kanssa nykyaikaisen mikroskoopin lavalle, ja laite ottaa itsenäisesti laajan panoraaman koko näytteestä. Samalla hän keskittyy oikeisiin paikkoihin ja liimaa sitten paljon kehyksiä yhteen.
Jotkut mikroskoopit sopivat eläville hiirille, rotille tai ainakin pienille selkärangattomille. Toiset lisäävät hieman, mutta ne yhdistetään röntgenlaitteeseen. Monet niistä on asennettu useita tonneja painaville erikoispöydille huoneisiin, joissa on tarkasti valvottu mikroilmasto tärinähäiriöiden poistamiseksi. Tällaisten järjestelmien hinta ylittää muiden elektronimikroskooppien kustannukset, ja kauneimman kehyksen kilpailuista on tullut pitkään perinne. Lisäksi optiikan parantaminen jatkuu: parhaiden lasityyppien etsimisestä ja optimaalisten linssiyhdistelmien valinnasta insinöörit ovat siirtyneet valon tarkennusmenetelmiin.
Olemme erityisesti listanneet joukon teknisiä yksityiskohtia osoittaaksemme, että biologisen tutkimuksen edistyminen on pitkään yhdistetty muiden alueiden edistymiseen. Jos ei olisi tietokoneita, jotka pystyisivät automaattisesti laskemaan värjäytyneiden solujen määrän useissa sadoissa valokuvissa, supermikroskoopeilla ei olisi juurikaan käyttöä. Ja ilman fluoresoivia väriaineita kaikki miljoonat solut olisivat mahdottomia erottaa toisistaan, joten uusien muodostumista tai vanhojen kuolemaa olisi lähes mahdotonta jäljittää.
Itse asiassa ensimmäinen mikroskooppi oli puristin, johon oli kiinnitetty pallomainen linssi. Tällaisen mikroskoopin analogi voi olla yksinkertainen pelikortti, johon on tehty reikä ja vesipisara. Joidenkin raporttien mukaan kultakaivostyöntekijät käyttivät vastaavia laitteita Kolymassa jo viime vuosisadalla.
Diffraktiorajan yli
Optisilla mikroskoopeilla on perustavanlaatuinen haittapuoli. Tosiasia on, että niiden esineiden muotoa, jotka osoittautuivat paljon pienemmiksi kuin aallonpituus, on mahdotonta palauttaa valoaaltojen muodosta: voit yhtä hyvin yrittää tutkia materiaalin hienoa rakennetta. käsin paksu käsine hitsausta varten.
Diffraktion luomat rajoitukset voitettiin osittain ja fysiikan lakeja rikkomatta. Kaksi seikkaa auttaa optisia mikroskooppeja sukeltamaan diffraktioesteen alle: se, että fluoresenssin aikana yksittäiset värimolekyylit (jotka voivat olla melko kaukana toisistaan) lähettävät kvantteja, ja se, että valoaaltojen superpositiosta johtuen , on mahdollista saada kirkas piste, jonka halkaisija on pienempi kuin aallonpituus.
Toistensa päälle asetettuna valoaallot pystyvät sammuttamaan toisensa, joten näytteen valaistusparametrit niin, että pienin mahdollinen alue putoaa kirkkaalle alueelle. Yhdessä matemaattisten algoritmien kanssa, jotka mahdollistavat esimerkiksi haamukuvien poistamisen, tällainen suunnattu valaistus parantaa jyrkästi kuvauksen laatua. On mahdollista esimerkiksi tutkia solunsisäisiä rakenteita optisella mikroskoopilla ja jopa (yhdistämällä kuvattu menetelmä konfokaalimikroskopiaan) saada niiden kolmiulotteiset kuvat.
Elektronimikroskoopilla elektronisiin laitteisiin
Atomien ja molekyylien löytämiseksi tutkijoiden ei tarvinnut katsoa niitä – molekyyliteorian ei tarvinnut nähdä esinettä. Mutta mikrobiologia tuli mahdolliseksi vasta mikroskoopin keksimisen jälkeen. Siksi mikroskoopit yhdistettiin aluksi juuri lääketieteeseen ja biologiaan: fyysikot ja kemistit, jotka tutkivat paljon pienempiä esineitä, hoidettiin muilla keinoin. Kun haluttiin tarkastella myös mikrokosmosta, diffraktiorajoituksista tuli vakava ongelma, varsinkin kun edellä kuvatut fluoresenssimikroskoopin menetelmät olivat vielä tuntemattomia. Eikä ole mitään järkeä nostaa resoluutiota 500 nanometristä 100 nanometriin, jos tutkittava kohde on vielä pienempi!
Saksalaiset fyysikot loivat vuonna 1926 elektronisen linssin, koska tiesivät, että elektronit voivat käyttäytyä sekä aaltoina että hiukkasina. Sen taustalla oleva ajatus oli hyvin yksinkertainen ja jokaiselle koululaiselle ymmärrettävä: koska sähkömagneettinen kenttä poikkeuttaa elektroneja, sen avulla voidaan muuttaa näiden hiukkasten säteen muotoa vetämällä niitä erilleen tai päinvastoin pienentää säteen halkaisijaa. . Viisi vuotta myöhemmin, vuonna 1931, Ernst Ruska ja Max Knoll rakensivat maailman ensimmäisen elektronimikroskoopin. Laitteessa näyte valaistiin ensin elektronisäteellä ja sitten elektronin linssi laajensi lähetettyä sädettä ennen kuin se putosi erityiselle luminesoivalle näytölle. Ensimmäinen mikroskooppi antoi vain 400-kertaisen suurennuksen, mutta valon korvaaminen elektroneilla avasi tien valokuvaukselle satojatuhansia kertoja suurennuksella: suunnittelijoiden täytyi voittaa vain useita teknisiä esteitä.
Elektronimikroskoopilla oli mahdollista tutkia solujen rakennetta aiemmin saavuttamattomassa laadussa. Mutta tästä kuvasta on mahdotonta ymmärtää solujen ikää ja tiettyjen proteiinien esiintymistä niissä, ja tämä tieto on erittäin tarpeellista tutkijoille.
Elektronimikroskoopit mahdollistavat nyt virusten lähikuvauksen. Laitteisiin on olemassa erilaisia muunnelmia, joiden avulla ei voida vain nähdä ohuiden osien läpi, vaan myös tarkastella niitä "heijastuneessa valossa" (tietenkin heijastuneissa elektroneissa). Emme mene yksityiskohtiin kaikista mikroskooppien versioista, mutta huomaa, että viime aikoina tutkijat ovat oppineet rekonstruoimaan kuvan diffraktiokuvion perusteella.
Kosketa, älä harkitse
Toinen vallankumous on syntynyt "valaa ja katso" -periaatteen jatkamisesta. Atomivoimamikroskooppi, kuten myös pyyhkäisytunnelimikroskooppi, eivät enää paista näytteiden pintaa. Sen sijaan pinnan poikki liikkuu erityisen ohut neula, joka kirjaimellisesti pomppii jopa yksittäisen atomin kokoisiin epäsäännöllisyyksiin.
Menemättä kaikkien tällaisten menetelmien yksityiskohtiin, panemme merkille pääasia: tunnelimikroskoopin kärkeä ei voida vain siirtää pitkin pintaa, vaan sitä voidaan käyttää myös atomien järjestämiseen paikasta toiseen. Näin tiedemiehet luovat kirjoituksia, piirroksia ja jopa sarjakuvia, joissa maalattu poika leikkii atomilla. Todellinen ksenonatomi, jota vetää pyyhkäisytunnelimikroskoopin kärki.
Tunnelointimikroskoopiksi kutsutaan, koska se käyttää kärjen läpi virtaavan tunnelointivirran vaikutusta: elektronit kulkevat kärjen ja pinnan välisen raon läpi kvanttimekaniikan ennustaman tunnelointivaikutuksen vuoksi. Tällainen laite vaatii tyhjiön toimiakseen.
Atomivoimamikroskooppi (AFM) on paljon vähemmän vaativa ympäristöön nähden - se voi (useita rajoituksia lukuun ottamatta) toimia ilman ilmanpoistoa. Tietyssä mielessä AFM on gramofonin nanoteknologinen seuraaja. Neula, joka on asennettu ohueen ja joustavaan ulokevarteen ( uloke ja siinä on "suluke"), liikkuu pintaa pitkin syöttämättä siihen jännitettä ja seuraa näytteen kohokuviota samalla tavalla kuin gramofonineula seuraa gramofonilevyn uria. Ulokkeen taivutus pakottaa siihen kiinnitetyn peilin taipumaan, peili poikkeaa lasersäteen, mikä mahdollistaa tutkittavan näytteen muodon erittäin tarkan määrittämisen. Tärkeintä on vain riittävän tarkka järjestelmä neulan siirtämiseen sekä neulojen tarjonta, joiden on oltava täysin teräviä. Tällaisten neulojen päiden kaarevuussäde ei saa ylittää yhtä nanometriä.
AFM:n avulla voit nähdä yksittäisiä atomeja ja molekyylejä, mutta tunnelimikroskoopin tapaan se ei anna sinun katsoa näytteen pinnan alle. Toisin sanoen tutkijoiden on valittava kyky nähdä atomeja ja kyky tutkia koko objektia kokonaisuutena. Optisissa mikroskoopeissakaan tutkittavien näytteiden sisäosat eivät kuitenkaan aina ole saavutettavissa, koska mineraalit tai metallit läpäisevät valoa yleensä huonosti. Lisäksi atomien kuvaamisessa ilmenee edelleen vaikeuksia - nämä esineet näyttävät yksinkertaisilta palloilta, elektronipilvien muoto ei näy sellaisissa valokuvissa.
Kiihdyttimillä kiihdytettyjen varautuneiden hiukkasten hidastumisesta syntyvä synkrotronisäteily mahdollistaa esihistoriallisten eläinten fossiilisten jäänteiden tutkimisen. Röntgenin alla näytettä pyörittämällä saadaan kolmiulotteisia tomogrammeja - näin löydettiin esimerkiksi kalojen kallon sisältä aivot, jotka kuolivat sukupuuttoon 300 miljoonaa vuotta sitten. Pyörimisestä voidaan myös luopua, jos läpäisevä säteily tallennetaan diffraktiosta hajoavien röntgensäteiden fiksaatiolla.
Ja tämä ei ole kaikki mahdollisuudet, jotka röntgensäteily avaa. Sillä säteilytettäessä monet materiaalit fluoresoivat, ja fluoresenssin luonteen perusteella on mahdollista määrittää aineen kemiallinen koostumus: näin tiedemiehet värjäävät muinaisia esineitä, Arkhimedesen keskiajalla pyyhittyjä teoksia tai väriä. pitkään sukupuuttoon kuolleiden lintujen höyhenistä.
Atomit poseeraavat
Kaikkia röntgen- tai optis-fluoresenssimenetelmien tarjoamia mahdollisuuksia vasten uusi tapa kuvata yksittäisiä atomeja ei näytä olevan niin suuri tieteen läpimurto. Menetelmän ydin, joka mahdollisti tällä viikolla esitettyjen kuvien saamisen, on seuraava: elektronit irrotetaan ionisoiduista atomeista ja lähetetään erityiseen ilmaisimeen. Jokainen ionisaatiotoiminto irrottaa elektronin tietystä paikasta ja antaa yhden pisteen "valokuvassa". Kerättyään useita tuhansia tällaisia pisteitä, tutkijat ovat muodostaneet kuvan, joka näyttää todennäköisimpiä paikkoja elektronin havaitsemiseksi atomin ytimen ympärillä, ja tämä on määritelmän mukaan elektronipilvi.
Lopuksi sanokaamme, että kyky nähdä yksittäisiä atomeja elektronipilveineen on pikemminkin modernin mikroskopia kakun päällä. Tieteilijöille oli tärkeää tutkia materiaalien rakennetta, tutkia soluja ja kiteitä, ja siitä seurannut teknologian kehitys mahdollisti vetyatomin saavuttamisen. Kaikki vähempi on jo hiukkasfysiikan asiantuntijoiden kiinnostuksen kohteena. Ja biologeilla, materiaalitieteilijöillä ja geologeilla on vielä tilaa parantaa mikroskooppeja, jopa melko vaatimattomalla suurennuksella atomien taustalla. Esimerkiksi neurofysiologian asiantuntijat ovat pitkään halunneet hankkia laitteen, joka näkee yksittäisiä soluja elävien aivojen sisällä, ja roverien luojat myivät sielunsa elektronimikroskoopista, joka kiipeäisi avaruusalukseen ja voisi toimia Marsissa.
Kuten tiedät, kaikki maailmankaikkeuden materiaali koostuu atomeista. Atomi on pienin aineen yksikkö, joka kantaa sen ominaisuuksia. Atomin rakenne puolestaan koostuu mikrohiukkasten maagisesta kolminaisuudesta: protoneista, neutroneista ja elektroneista.
Lisäksi jokainen mikrohiukkasista on universaali. Eli maailmasta ei löydy kahta erilaista protonia, neutronia tai elektronia. Ne ovat kaikki täysin samanlaisia. Ja atomin ominaisuudet riippuvat vain näiden mikrohiukkasten kvantitatiivisesta koostumuksesta atomin yleisessä rakenteessa.
Esimerkiksi vetyatomin rakenne koostuu yhdestä protonista ja yhdestä elektronista. Seuraavaksi monimutkaisuudessa heliumatomi koostuu kahdesta protonista, kahdesta neutronista ja kahdesta elektronista. Litiumatomi koostuu kolmesta protonista, neljästä neutronista ja kolmesta elektronista jne.
Atomirakenne (vasemmalta oikealle): vety, helium, litium
Atomit yhdistyvät molekyyleiksi ja molekyylit - aineiksi, mineraaleiksi ja organismeiksi. DNA-molekyyli, joka on kaiken elävän perusta, on rakenne, joka on koottu samoista kolmesta maailmankaikkeuden maagisesta tiilestä kuin tiellä makaava kivi. Vaikka tämä rakenne on paljon monimutkaisempi.
Vieläkin yllättävämpiä faktoja paljastuu, kun yritämme tarkastella lähemmin atomijärjestelmän mittasuhteita ja rakennetta. Tiedetään, että atomi koostuu ytimestä ja sen ympärillä liikkuvista elektroneista palloa kuvaavaa liikerataa pitkin. Eli sitä ei voi edes kutsua liikkeeksi sanan tavallisessa merkityksessä. Elektroni löytyy pikemminkin kaikkialta ja välittömästi tämän pallon sisällä muodostaen elektronipilven ytimen ympärille ja muodostaen sähkömagneettisen kentän.
Kaavioesitys atomin rakenteesta
Atomin ydin koostuu protoneista ja neutroneista, ja siihen on keskittynyt lähes koko järjestelmän massa. Mutta samaan aikaan itse ydin on niin pieni, että jos lisäät sen säteen asteikolla 1 cm, koko atomirakenteen säde saavuttaa satoja metrejä. Siten kaikki, mitä näemme tiheänä aineena, koostuu yli 99 % fysikaalisten hiukkasten välisistä energiayhteyksistä ja alle 1 % itse fyysisistä muodoista.
Mutta mitä nämä fyysiset muodot ovat? Mistä ne on tehty ja kuinka materiaalia ne ovat? Vastataksemme näihin kysymyksiin, katsotaanpa tarkemmin protonien, neutronien ja elektronien rakenteita. Joten laskeudumme vielä yhden askeleen mikromaailman syvyyksiin - subatomisten hiukkasten tasolle.
Mistä elektroni koostuu?
Atomin pienin hiukkanen on elektroni. Elektronilla on massa, mutta sillä ei ole tilavuutta. Tieteellisen näkemyksen mukaan elektroni ei koostu mistään, vaan on rakenteeton piste.
Elektronia ei voi nähdä mikroskoopilla. Se havaitaan vain elektronipilven muodossa, joka näyttää epäselvältä pallolta atomiytimen ympärillä. Samanaikaisesti on mahdotonta sanoa tarkasti, missä elektroni on tällä hetkellä. Laitteet eivät pysty sieppaamaan itse hiukkasta, vaan vain sen energiajäljen. Elektronin olemus ei ole upotettu aineen käsitteeseen. Pikemminkin se on eräänlainen tyhjä muoto, joka on olemassa vain liikkeessä ja liikkeestä johtuen.
Toistaiseksi elektronista ei ole löydetty rakennetta. Se on sama pistemäinen hiukkanen kuin energiakvantti. Itse asiassa elektroni on energiaa, mutta se on sen vakaampi muoto kuin se, jota valon fotonit edustavat.
Tällä hetkellä elektronia pidetään jakamattomana. Tämä on ymmärrettävää, koska on mahdotonta jakaa sitä, jolla ei ole tilavuutta. Teoriassa on kuitenkin jo kehitystä, jonka mukaan elektronin koostumus sisältää sellaisten kvasihiukkasten kolminaisuuden:
- Orbiton - sisältää tietoa elektronin kiertoradan sijainnista;
- Spinon on vastuussa pyörimisestä tai vääntömomentista;
- Holon - kuljettaa tietoa elektronin varauksesta.
Kuten näemme, kvasihiukkasilla aineen kanssa ei kuitenkaan ole enää mitään yhteistä, ja ne kuljettavat vain yhtä tietoa.
Valokuvia eri aineiden atomeista elektronimikroskoopissa
Mielenkiintoista on, että elektroni voi absorboida energian kvantteja, kuten valoa tai lämpöä. Tässä tapauksessa atomi siirtyy uudelle energiatasolle ja elektronipilven rajat laajenevat. Sattuu myös niin, että elektronin absorboima energia on niin suuri, että se voi hypätä ulos atomijärjestelmästä ja jatkaa sitten liikettään itsenäisenä hiukkasena. Samalla se käyttäytyy kuin valon fotoni, eli se näyttää lakkaavan olemasta hiukkanen ja alkaa ilmentää aallon ominaisuuksia. Tämä on todistettu kokeellisesti.
Jungin kokeilu
Kokeen aikana elektronivirta ohjattiin näytölle, jonka läpi leikattiin kaksi rakoa. Kulkiessaan näiden rakojen läpi elektronit törmäsivät toisen - projektio - näytön pintaan jättäen jälkensä siihen. Tällaisen elektronien "pommituksen" seurauksena projektionäytölle ilmestyi interferenssikuvio, joka on samanlainen kuin jos aallot, mutta eivät hiukkaset, kulkisivat kahden raon läpi.
Tällainen kuvio syntyy siitä tosiasiasta, että kahden raon välillä kulkeva aalto on jaettu kahteen aaltoon. Lisäliikkeen seurauksena aallot menevät päällekkäin ja joillain alueilla tapahtuu niiden keskinäistä vaimennusta. Tuloksena saamme projektiokankaalle monia raitoja yhden sijasta, kuten se olisi, jos elektroni käyttäytyisi hiukkasen tavoin.
Atomin ytimen rakenne: protonit ja neutronit
Protonit ja neutronit muodostavat atomin ytimen. Ja huolimatta siitä, että ydin vie alle 1% kokonaistilavuudesta, juuri tähän rakenteeseen keskittyy melkein koko järjestelmän massa. Mutta protonien ja neutronien rakenteen kustannuksella fyysikot jaettiin, ja tällä hetkellä on olemassa kaksi teoriaa kerralla.
- Teoria # 1 - standardi
Standardimalli sanoo, että protonit ja neutronit koostuvat kolmesta kvarkista, joita yhdistää gluonipilvi. Kvarkit ovat pistehiukkasia, kuten kvantit ja elektronit. Ja gluonit ovat virtuaalisia hiukkasia, jotka varmistavat kvarkkien vuorovaikutuksen. Luonnosta ei kuitenkaan ole löydetty kvarkeja eikä gluoneja, joten tämä malli on ankara kritiikki.
- Teoria # 2 - Vaihtoehto
Mutta Einsteinin kehittämän vaihtoehtoisen yhtenäisen kentän teorian mukaan protoni, kuten neutroni, kuten mikä tahansa muu fyysisen maailman hiukkanen, on sähkömagneettinen kenttä, joka pyörii valon nopeudella.
Ihmisen ja planeetan sähkömagneettiset kentät
Mitkä ovat atomin rakenteen periaatteet?
Kaikki maailmassa - ohut ja tiheä, nestemäinen, kiinteä ja kaasumainen - on vain lukemattomien kenttien energiatiloja, jotka läpäisevät universumin avaruuden. Mitä korkeampi energiataso kentällä on, sitä ohuempaa ja vähemmän havaittavissa se on. Mitä matalampi energiataso, sitä vakaampi ja konkreettisempi se on. Atomin rakenteessa, kuten minkä tahansa muun universumin yksikön rakenteessa, on tällaisten kenttien vuorovaikutus - erilaiset energiatiheydellä. Osoittautuu, että aine on vain mielen illuusio.
Itse atomin, ei minkään sen osan, kuvaaminen tuntui kuitenkin erittäin vaikealta tehtävältä jopa kaikkein huipputeknisiä laitteita käytettäessä.
Tosiasia on, että kvanttimekaniikan lakien mukaan on mahdotonta määrittää yhtä tarkasti subatomisen hiukkasen kaikkia ominaisuuksia. Tämä teoreettisen fysiikan osa on rakennettu Heisenbergin epävarmuusperiaatteelle, jonka mukaan on mahdotonta mitata yhtä tarkasti hiukkasen koordinaatteja ja liikemäärää - yhden ominaisuuden tarkat mittaukset muuttavat varmasti tietoja toisesta.
Siksi kvanttiteoria ehdottaa paikantamisen (hiukkasen koordinaattien) sijasta niin sanotun aaltofunktion mittaamista.
Aaltofunktio toimii pitkälti samalla tavalla kuin ääniaalto. Ainoa ero on, että ääniaallon matemaattinen kuvaus määrittää molekyylien liikkeen ilmassa tietyssä paikassa ja aaltofunktio kuvaa hiukkasen esiintymisen todennäköisyyttä tietyssä paikassa Schrödingerin yhtälön mukaisesti.
Aaltofunktion mittaaminen on myös vaikeaa (suorat havainnot johtavat sen romahtamiseen), mutta teoreettiset fyysikot voivat karkeasti ennustaa sen arvot.
Kaikki aaltofunktion parametrit on mahdollista mitata kokeellisesti vain, jos ne kerätään erillisistä destruktiivisista mittauksista, jotka on suoritettu täysin identtisillä atomi- tai molekyylisysteemeillä.
Hollantilaisen AMOLF-tutkimuslaitoksen fyysikot ovat esitelleet uuden menetelmän, joka ei vaadi "uudelleenjärjestelyjä", ja julkaisivat työnsä tulokset Physical Review Letters -lehdessä. Heidän metodologiansa perustuu kolmen Neuvostoliiton teoreettisen fyysikon vuoden 1981 hypoteesiin sekä myöhempään tutkimukseen.
Kokeen aikana tutkijaryhmä suuntasi kaksi lasersädettä vetyatomeihin, jotka asetettiin erityiseen kammioon. Tämän vaikutuksen seurauksena elektronit poistuivat radaltaan niiden aaltofunktioiden määräämällä nopeudella ja suunnalla. Voimakas sähkökenttä kammiossa, jossa vetyatomit sijaitsi, ohjasi elektroneja tasomaisen (litteän) ilmaisimen tiettyihin osiin.
Ilmaisimeen osuvien elektronien sijainti määräytyi niiden alkunopeuden perusteella, ei niiden sijainnin perusteella. Siten ilmaisimen elektronien jakautuminen kertoi tutkijoille näiden hiukkasten aaltofunktiosta, joka heillä oli, kun he lähtivät vetyatomin ytimen kiertoradalta.
Elektronien liikkeet näytettiin fosforoivalla näytöllä tummien ja vaaleiden renkaiden muodossa, joita tutkijat kuvasivat korkearesoluutioisella digitaalikameralla.
"Olemme erittäin tyytyväisiä tuloksiimme. Kvanttimekaniikalla on niin vähän tekemistä ihmisten jokapäiväisen elämän kanssa, että tuskin kukaan olisi ajatellut ottaa todellista valokuvaa kvanttivuorovaikutuksista atomissa", sanoo johtava kirjoittaja Aneta Stodolna. Hän väittää myös, että kehitetyllä tekniikalla voi olla käytännön sovelluksia esimerkiksi atomin paksuisten johtimien luomiseen, molekyylilankateknologian kehittäminen, joka parantaa merkittävästi nykyaikaisia elektroniikkalaitteita.
"On huomionarvoista, että koe suoritettiin juuri vedyllä - samalla yksinkertaisimmalla ja yleisimmällä aineella universumissamme. On tarpeen ymmärtää, voidaanko tätä tekniikkaa soveltaa monimutkaisempiin atomeihin. mutta myös nanoteknologiaan, " sanoo Jeff Lundeen Ottawan yliopistosta, joka ei ollut mukana tutkimuksessa.
Kokeen suorittaneet tutkijat eivät kuitenkaan ajattele asian käytännön puolta. He uskovat, että heidän löytönsä liittyy ensisijaisesti perustieteeseen, joka auttaa siirtämään enemmän tietoa tuleville fyysikkojen sukupolville.
PostNauka kumoaa tieteellisiä myyttejä ja selittää yleisiä väärinkäsityksiä. Pyysimme asiantuntijoitamme kommentoimaan suosittuja ideoita atomien rakenteesta ja ominaisuuksista.
Rutherfordin malli vastaa nykyajan ideoita atomin rakenteesta
Tämä on totta, mutta osittain. Atomin planeettamalli, jossa kevyet elektronit kiertävät raskaan ytimen ympärillä, kuten planeetat Auringon ympärillä, ehdotti Ernest Rutherford vuonna 1911, kun itse ydin löydettiin hänen laboratoriosta. Pommittamalla metallifoliolevyä alfahiukkasilla tutkijat havaitsivat, että suurin osa hiukkasista kulkee kalvon läpi, kuten valo lasin läpi. Kuitenkin pieni osa niistä - noin yksi 8000:sta - heijastui takaisin lähteeseen. Rutherford selitti nämä tulokset sillä tosiasialla, että massa ei ole jakautunut tasaisesti aineeseen, vaan se on keskittynyt "möykkyihin" - atomiytimiin, joissa on positiivinen varaus, joka hylkii positiivisesti varautuneita alfahiukkasia. Kevyet negatiivisesti varautuneet elektronit välttävät "putoamasta" ytimeen pyörimällä niiden ympärillä, jolloin keskipakovoima tasapainottaa sähköstaattista vetovoimaa.
Sanotaan, että keksiessään tämän mallin Rutherford huudahti: "Nyt tiedän miltä atomi näyttää!" Pian inspiraation jälkeen Rutherford kuitenkin tajusi ideansa puutteellisuuden. Pyöriessään ytimen ympärillä elektroni luo ympärilleen vuorottelevia sähkö- ja magneettikenttiä. Nämä kentät etenevät valon nopeudella sähkömagneettisen aallon muodossa. Ja sellainen aalto kantaa mukanaan energiaa! Osoittautuu, että pyöriessään ytimen ympäri elektroni menettää jatkuvasti energiaa ja sekunnin miljardisosissa putoaa ytimeen. (Voi herätä kysymys, onko mahdollista soveltaa samaa argumenttia aurinkokunnan planeetoihin: miksi ne eivät putoa aurinkoon? Vastaus: gravitaatioaallot, jos niitä ylipäätään on, ovat paljon heikompia kuin sähkömagneettiset aallot, ja planeetoihin varastoitunut energia on paljon suurempi kuin elektroneihin, joten planeettojen "tehoreservi" on monta suuruusluokkaa pidempi.)
Rutherford neuvoi yhteistyökumppaniaan, nuorta teoreetikkoa Niels Bohria ratkaisemaan ristiriidan. Kahden vuoden työskentelyn jälkeen Bohr löysi osittaisen ratkaisun. Hän väitti, että elektronin kaikkien mahdollisten kiertoratojen joukossa on sellaisia, joilla elektroni voi olla pitkään ilman emittoimista. Elektroni voi liikkua kiinteältä kiertoradalta toiselle samalla, kun se absorboi tai emittoi sähkömagneettisen kentän kvantin energialla, joka on yhtä suuri kuin näiden kahden kiertoradan energioiden välinen ero. Käyttämällä kvanttifysiikan alkuperäisiä periaatteita, jotka oli jo löydetty tuolloin, Bohr pystyi laskemaan paikallaan olevien kiertoratojen parametrit ja vastaavasti siirtymiä vastaavien säteilykvanttien energiat. Siihen mennessä nämä energiat mitattiin spektroskooppisilla menetelmillä, ja Bohrin teoreettiset ennusteet osuivat lähes täydellisesti yhteen näiden mittausten tulosten kanssa!
Tästä voittoisasta tuloksesta huolimatta Bohrin teoria tuskin selvensi atomifysiikan kysymystä, koska se oli puoliempiiristä: olettamalla paikallaan olevien kiertoratojen olemassaoloa, se ei selittänyt niiden fyysistä luonnetta millään tavalla. Asian syvällinen selitys vaati vielä ainakin kaksi vuosikymmentä, joiden aikana kvanttimekaniikka kehitettiin systemaattisena, integraalisena fysikaalisena teoriana.
Tämän teorian puitteissa elektroni noudattaa epävarmuuden periaatetta, eikä sitä kuvaile aineellinen piste, kuten planeetta, vaan aaltofunktio, joka on "siirtynyt" koko kiertoradalle. Jokaisella ajanhetkellä se on tilojen superpositiossa, joka vastaa kaikkia kiertoradan pisteitä. Koska aaltofunktion määräämä massajakauman tiheys avaruudessa ei riipu ajasta, elektronin ympärille ei synny vaihtuvaa sähkömagneettista kenttää; ei ole energiahäviötä.
Siten planeettamalli antaa oikean visuaalisen esityksen siitä, miltä atomi näyttää - Rutherford oli oikeassa huudahduksessaan. Se ei kuitenkaan anna selitystä atomin toiminnasta: tämä laite on paljon monimutkaisempi ja syvempi kuin Rutherfordin mallintama laite.
Lopuksi haluaisin huomauttaa, että planeettamallin "myytti" on aivan sen älyllisen draaman keskipisteessä, joka aiheutti käännekohdan fysiikassa sata vuotta sitten ja suurelta osin muokkasi tätä tiedettä sen nykyaikana. muodossa.
Aleksanteri Lvovski
Fysiikan tohtori, Calgaryn yliopiston fysiikan tiedekunnan professori, tieteellisen ryhmän johtaja, Venäjän kvanttikeskuksen tieteellisen neuvoston jäsen, Optics Express -tieteellisen lehden toimittaja
Yksittäisiä atomeja voidaan hallita
Tämä on totta. Tietysti voit, miksi ei? Voit ohjata atomin erilaisia parametreja, ja atomilla on niitä paljon: sillä on sijainti avaruudessa, nopeus ja on myös sisäisiä vapausasteita. Sisäiset vapausasteet määräävät atomin magneettiset ja sähköiset ominaisuudet sekä halukkuuden lähettää valoa tai radioaaltoja. Atomin sisäisestä tilasta riippuen se voi olla enemmän tai vähemmän aktiivinen törmäyksissä ja kemiallisissa reaktioissa, muuttaa ympäröivien atomien ominaisuuksia ja sen reagointi ulkoisiin kenttiin riippuu sen sisäisestä tilasta. Esimerkiksi lääketieteessä ns. polarisoituja kaasuja käytetään keuhkojen tomogrammien rakentamiseen - tällaisissa kaasuissa kaikki atomit ovat samassa sisäisessä tilassa, mikä mahdollistaa niiden täyttämän tilavuuden "näkemisen" niiden vasteella.
Atomin nopeuden tai sen sijainnin säätäminen ei ole niin vaikeaa, on paljon vaikeampaa valita täsmälleen yksi atomi ohjattavaksi. Mutta tämäkin voidaan tehdä. Yksi lähestymistapa tällaiseen atomien erottamiseen toteutetaan laserjäähdytyksen avulla. Ohjauksen kannalta on aina kätevää, että alkuasema on tiedossa, on erittäin hyvä, jos atomi ei vieläkään liiku samaan aikaan. Laserjäähdytyksen avulla voit saavuttaa molemmat, lokalisoida atomeja avaruuteen ja jäähdyttää niitä, eli vähentää niiden nopeutta lähes nollaan. Laserjäähdytyksen periaate on sama kuin suihkutasolla, vain jälkimmäinen lähettää kaasusuihkun kiihtymään, ja ensimmäisessä tapauksessa atomi päinvastoin absorboi fotonivirran (valohiukkaset) ja hidastaa . Nykyaikaiset laserjäähdytysmenetelmät mahdollistavat miljoonien atomien jäähdyttämisen jalankulkunopeuksiin ja sitä pienemmille nopeuksille. Seuraavaksi tulevat peliin erilaiset passiiviset loukut, esimerkiksi dipoliloukku. Jos laserjäähdytykseen käytetään valokenttää, jonka atomi absorboi aktiivisesti, niin sen pitämiseksi dipoliloukussa valon taajuus valitaan kaukana kaikesta absorptiosta. Osoittautuu, että erittäin fokusoitu laservalo pystyy polarisoimaan pieniä hiukkasia ja pölyhiukkasia ja vetämään ne suurimman valovoimakkuuden alueelle. Atomi ei ole poikkeus, ja se vedetään myös vahvimman kentän alueelle. Osoittautuu, että jos keskität valon mahdollisimman voimakkaasti, vain täsmälleen yksi atomi voidaan pitää tällaisessa ansassa. Tosiasia on, että jos toinen putoaa ansaan, se puristuu niin voimakkaasti ensimmäistä vasten, että ne muodostavat molekyylin ja putoavat samalla ansasta. Tällainen terävä fokusointi ei kuitenkaan ole ainoa tapa eristää yksittäinen atomi; voit myös käyttää atomin ja resonaattorin vuorovaikutuksen ominaisuuksia varautuneille atomeille, ioneille, voit käyttää sähkökenttiä sieppaamaan ja rajoittamaan täsmälleen yhden ionin, ja niin edelleen. Voidaan jopa virittää yksi atomi melko rajallisessa atomijoukossa erittäin voimakkaasti virittyneeseen, niin kutsuttuun Rydberg-tilaan. Kun atomi on viritetty Rydberg-tilaan, se estää naapureidensa virittämisen samaan tilaan, ja jos tilavuus atomien kanssa on tarpeeksi pieni, se on ainutlaatuinen.
Tavalla tai toisella, kun atomi on vangittu, sitä voidaan manipuloida. Sisäistä tilaa voidaan muuttaa valo- ja radiotaajuuskentillä käyttämällä haluttuja taajuuksia ja sähkömagneettisen aallon polarisaatiota. Atomi on mahdollista siirtää mihin tahansa ennalta määrättyyn tilaan, olipa se sitten tietty tila - taso tai niiden superpositio. Ainoa kysymys on tarvittavien taajuuksien saatavuus ja kyky tehdä riittävän lyhyitä ja tehokkaita ohjauspulsseja. Viime aikoina on tullut mahdolliseksi hallita atomeja entistä tehokkaammin pitämällä ne nanorakenteiden läheisyydessä, mikä mahdollistaa paitsi "puhumisen" tehokkaammin atomin kanssa, myös itse atomin - tarkemmin sanottuna sen sisäisten tilojen - hyödyntämisen. ohjata valon virtauksia, ja tulevaisuudessa ehkä , ja laskennallisia tarkoituksia varten.
Loukun pitämän atomin asennon säätäminen on hyvin yksinkertainen tehtävä - liikuta vain itse ansa. Jos kyseessä on dipoliloukku, siirrä valonsädettä, mikä voidaan tehdä esimerkiksi lasershowta varten siirrettävillä peileillä. Atomin nopeus voidaan antaa jälleen reaktiivisella tavalla - saada se absorboimaan valoa ja ioni voidaan helposti hajottaa sähkökentillä, aivan kuten se tehtiin katodisädeputkissa. Joten nykyään atomin kanssa voidaan tehdä periaatteessa mitä tahansa, se on vain ajan ja vaivan kysymys.
Aleksei Akimov
Atomi on jakamaton
Osittain totta, osittain ei. Wikipedia antaa meille seuraavan määritelmän: "Atomi (muinaisesta kreikasta ἄτομος - jakamaton, leikkaamaton) on mikroskooppisen kokoinen ja massainen ainehiukkanen, kemiallisen alkuaineen pienin osa, joka on sen ominaisuuksien kantaja. Atomi koostuu atomin ytimestä ja elektroneista."
Jokainen koulutettu henkilö edustaa nyt atomia Rutherfordin mallissa, joka on tiivistetty tämän yleisesti hyväksytyn määritelmän viimeiseen virkkeeseen. Vaikuttaa siltä, että vastaus tähän kysymykseen / myyttiin on ilmeinen: atomi on yhdistetty ja monimutkainen esine. Tilanne ei kuitenkaan ole niin yksiselitteinen. Muinaiset filosofit laittoivat atomin määritelmään pikemminkin alkuainehiukkasen ja jakamattoman ainehiukkasen olemassaolon merkityksen ja tuskin yhdistävät ongelmaa jaksollisen järjestelmän elementtien rakenteeseen. Rutherfordin atomista me todella löydämme sellaisen hiukkasen - se on elektroni.
Elektroni nykyaikaisten käsitteiden mukaisesti, jotka sopivat ns
«> Vakiomalli on piste, jonka tilaa kuvaa sijainti ja nopeus. On tärkeää, että näiden kinemaattisten ominaisuuksien samanaikainen osoittaminen on mahdotonta Heisenbergin epävarmuusperiaatteen vuoksi, mutta ottamalla huomioon vain yksi niistä, esimerkiksi koordinaatin, se on mahdollista määrittää mielivaltaisen suurella tarkkuudella.
Onko sitten mahdollista nykyaikaisilla kokeellisilla tekniikoilla yrittää paikantaa elektroni atomikokoa huomattavasti pienemmässä mittakaavassa (~ 0,5 * 10-8 cm) ja tarkistaa sen pistemäinen luonne? Osoittautuu, että kun yritetään lokalisoida elektroni niin sanotun Compton-aallonpituuden asteikolla - noin 137 kertaa pienempi kuin vetyatomin koko - elektroni on vuorovaikutuksessa antiaineensa kanssa ja järjestelmä muuttuu epävakaaksi.
Elektronin ja muiden aineen alkuainehiukkasten piste ja jakamattomuus on kenttäteorian lyhyen kantaman vuorovaikutuksen periaatteen avainelementti ja se on läsnä kaikissa luontoa kuvaavissa perusyhtälöissä. Näin ollen muinaiset filosofit eivät olleet niin kaukana totuudesta olettaen, että aineen jakamattomia hiukkasia on olemassa.
Dmitri Kuprijanov
Fysikaalisten ja matemaattisten tieteiden tohtori, fysiikan professori, Pietarin valtion ammattikorkeakoulu, johtaja. Teoreettisen fysiikan laitos, SPbSPU
Tämä on tieteelle vielä tuntematon. Rutherfordin ehdottama atomin planeettamalli olettaa, että elektronit kiertävät atomiytimen ympärillä, kuten planeetat kiertävät aurinkoa. Tässä tapauksessa oli luonnollista olettaa, että elektronit ovat kiinteitä pallomaisia hiukkasia. Rutherfordin klassinen malli oli ristiriitainen. On selvää, että liikkuvien kiihdytettyjen varautuneiden hiukkasten (elektronien) pitäisi menettää energiaa sähkömagneettisen säteilyn vuoksi ja lopulta pudota atomiytimiin.
Niels Bohr ehdotti tämän prosessin kieltämistä ja tiettyjen vaatimusten käyttöönottoa niiden kiertoradan säteille, joita pitkin elektronit liikkuvat. Bohrin fenomenologinen malli väistyi Heisenbergin kehittämälle atomin kvanttimallille ja Schrödingerin esittämälle atomin kvanttimallille, mutta visuaaliselle mallille. Schrödingerin mallissa elektronit eivät ole enää kiertoradalla lentäviä palloja, vaan seisovia aaltoja, jotka pilvien tavoin roikkuvat atomiytimen päällä. Näiden "pilvien" muoto kuvattiin Schrödingerin esittelemällä aaltofunktiolla.
Välittömästi heräsi kysymys: mikä on aaltofunktion fyysinen merkitys? Vastauksen ehdotti Max Born: aaltofunktion moduulin neliö on todennäköisyys löytää elektroni tietyssä avaruuden pisteessä. Ja tästä alkoivat vaikeudet. Heräsi kysymys: mitä tarkoittaa elektronin löytäminen tietystä avaruuden pisteestä? Eikö Bornin väite pitäisi ymmärtää oivalluksena siitä, että elektroni on pieni pallo, joka lentää tiettyä lentorataa pitkin ja joka voidaan saada kiinni tämän lentoradan tietystä kohdasta tietyllä todennäköisyydellä?
Tämä on se näkemys, jota Schrodinger ja Albert Einstein, jotka liittyivät hänen kanssaan tässä asiassa, noudattivat. Heitä vastustivat Kööpenhaminan koulukunnan fyysikot - Niels Bohr ja Werner Heisenberg, jotka väittivät, että elektronia ei yksinkertaisesti ole olemassa mittaustapahtumien välillä, mikä tarkoittaa, että ei ole järkevää puhua sen liikkeen radasta. Bohrin ja Einsteinin keskustelu kvanttimekaniikan tulkinnasta on jäänyt historiaan. Voittaja näytti olevan Bohr: hän onnistui, vaikkakaan ei kovin selvästi, kumoamaan kaikki Einsteinin muotoilemat paradoksit ja jopa Schrödingerin vuonna 1935 muotoileman kuuluisan "Schrödingerin kissan" paradoksin. Useimmat fyysikot olivat useiden vuosikymmenten ajan samaa mieltä Bohrin kanssa siitä, että aine ei ole objektiivinen todellisuus, joka meille annetaan aistimuksissa, kuten Karl Marx opetti, vaan jotain, joka syntyy vain havainnointihetkellä ja jota ei ole olemassa ilman tarkkailijaa. On mielenkiintoista, että neuvostoaikana yliopistojen filosofian osastoilla opetettiin, että tällainen näkökulma on subjektiivinen idealismi, toisin sanoen suuntaus, joka on ristiriidassa objektiivisen materialismin - Marxin, Engelsin, Leninin ja Einsteinin filosofian - kanssa. Samaan aikaan fysiikan osastoilla opiskelijoille opetettiin, että Kööpenhaminan koulun käsitteet ovat ainoat oikeat (ehkä siksi, että tunnetuin Neuvostoliiton teoreettinen fyysikko Lev Landau kuului tähän kouluun).
Tällä hetkellä fyysikkojen mielipiteet ovat jakautuneet. Toisaalta kvanttimekaniikan Kööpenhaminalainen tulkinta on edelleen suosittu. Yritykset testata kokeellisesti tämän tulkinnan paikkansapitävyyttä (esimerkiksi ranskalaisen fyysikon Alain Aspen onnistunut testi ns. Bellin epätasa-arvosta) saavat tiedeyhteisön lähes yksimielisen hyväksynnän. Toisaalta teoreetikot keskustelevat melko rauhallisesti vaihtoehtoisista teorioista, kuten rinnakkaisten maailmojen teoriasta. Palataksemme elektroniin, voimme sanoa, että sen mahdollisuudet jäädä biljardipalloksi eivät ole vielä kovin korkeat. Samalla ne ovat nollasta poikkeavia. 1920-luvulla oli Compton-sironta biljardimalli, joka mahdollisti valon koostuvan kvanteista - fotoneista. Monissa ongelmissa, jotka liittyvät tärkeisiin ja hyödyllisiin laitteisiin (diodit, transistorit), on kätevää pitää elektronia biljardipallona. Elektronin aaltoluonne on tärkeä kuvattaessa hienovaraisempia vaikutuksia, esimerkiksi metallien negatiivista magnetoresistenssiä.
Filosofisella kysymyksellä siitä, onko mittaustoimintojen välissä palloelektroni, ei ole suurta merkitystä tavallisessa elämässä. Tämä kysymys on kuitenkin edelleen yksi modernin fysiikan vakavimmista ongelmista.
Aleksei Kavokin
Fysiikan ja matematiikan tohtori, professori Southamptonin yliopistossa, Venäjän kvanttikeskuksen kvanttipolaritoniikan ryhmän johtaja, Mediterrane Institute of Fundamental Physics -instituutin tieteellinen johtaja (Italia)
Atomi voidaan tuhota kokonaan
Tämä on totta. Riko älä rakenna. Kaikki voidaan tuhota, myös atomi, missä tahansa täydellisyydessä. Ensimmäisessä approksimaatiossa atomi on positiivisesti varautunut ydin, jota ympäröivät negatiivisesti varautuneet elektronit. Ensimmäinen tuhoava toimenpide, joka voidaan suorittaa atomin suhteen, on repiä siitä irti elektroneja. Tämä voidaan tehdä eri tavoin: voit kohdistaa siihen voimakasta lasersäteilyä, voit säteilyttää sitä nopeilla elektroneilla tai muilla nopeilla hiukkasilla. Atomia, joka on menettänyt osan elektroneistaan, kutsutaan ioniksi. Juuri tässä tilassa atomit sijaitsevat Auringossa, jossa lämpötilat ovat niin korkeat, että atomien on käytännössä mahdotonta säilyttää elektronejaan törmäyksissä.
Mitä enemmän elektroneja atomi on menettänyt, sitä vaikeampaa on repiä pois loput. Atomimäärästä riippuen atomissa on enemmän tai vähemmän elektroneja. Vetyatomissa on vain yksi elektroni, ja se usein menettää sen jopa normaaleissa olosuhteissa, ja juuri elektroninsa menettänyt vety määrää veden pH:n. Heliumatomissa on kaksi elektronia, ja täysin ionisoituneessa tilassa sitä kutsutaan alfahiukkasiksi - odotamme jo sellaisia hiukkasia ydinreaktorista kuin tavallisesta vedestä. Atomit, jotka sisältävät monia elektroneja, vaativat vielä enemmän energiaa poistaakseen kaikki elektronit, mutta voit silti poistaa kaikki elektronit mistä tahansa atomista.
Jos kaikki elektronit repeytyvät irti, ydin jää jäljelle, mutta se voidaan myös tuhota. Ydin koostuu protoneista ja neutroneista (yleensä hadroneista), ja vaikka ne ovatkin varsin vahvasti kytkeytyneitä, riittävän korkeaenergiainen sattuva hiukkanen voi repiä ne erilleen. Raskaat atomit, joissa on liikaa neutroneja ja protoneja, hajoavat itsestään ja vapauttavat melko paljon energiaa - tähän ydinvoimalat perustuvat periaatteeseen.
Mutta vaikka ydin hajoaisi, kaikki elektronit repeytyvät, alkuperäiset hiukkaset jäävät jäljelle: neutronit, protonit, elektronit. Ne voidaan tietysti myös tuhota. Itse asiassa hän tekee tämän, mikä kiihdyttää protonit valtaviin energioihin tuhoten ne täysin törmäyksissä. Samalla syntyy paljon uusia hiukkasia, joita törmäyskone tutkii. Sama voidaan tehdä elektronien ja muiden hiukkasten kanssa.
Tuhoutuneen hiukkasen energia ei katoa, se jakautuu muiden hiukkasten kesken, ja jos niitä on tarpeeksi, on mahdotonta jäljittää nopeasti alkuperäistä hiukkasta uusien muutosten meressä. Kaikki voidaan tuhota, poikkeuksia ei ole.
Aleksei Akimov
Fysiikan ja matematiikan tohtori, Venäjän kvanttikeskuksen "Quantum Simulators" -ryhmän johtaja, Moskovan fysiikan ja tekniikan instituutin lehtori, Lebedevin fyysisen instituutin työntekijä, tutkija Harvardin yliopistossa