Valójában az RTCh szerzője "elmélkedéseiben" odáig jutott, hogy súlyos ellenérveket váltott ki, nevezetesen a japán tudósok hidrogénatom fényképezési kísérletének adatait, amelyek 2010. november 4-én váltak ismertté. A képen jól látható az atom alakja, megerősítve az atomok diszkrétségét és gömbölyűségét: „A Tokiói Egyetem tudósainak és szakértőinek egy csoportja a világon először fényképezett le egyetlen hidrogénatomot – a legkönnyebb és legkisebb atomot. hírügynökségeknek.
A kép az egyik legújabb technológiával készült - egy speciális pásztázó elektronmikroszkóppal. Ennek az eszköznek a segítségével a hidrogénatommal együtt egyetlen vanádium atomot fényképeztek le.
A hidrogénatom átmérője a méter egy tízmilliárd része. Korábban azt hitték, hogy modern felszereléssel szinte lehetetlen lefényképezni. A hidrogén a legnagyobb mennyiségben előforduló anyag. Része az egész Univerzumban körülbelül 90%.
A tudósok szerint más elemi részecskék is befoghatók ugyanígy. „Most már láthatjuk a világunkat alkotó összes atomot” – mondta Yuichi Ikuhara professzor. "Ez egy áttörés az új termelési formák felé, amikor a jövőben az egyes atomok és molekulák szintjén lehet majd döntéseket hozni."
Hidrogénatom, hagyományos színek
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i21/e213001
Németországból, Görögországból, Hollandiából, az Egyesült Államokból és Franciaországból származó tudósok egy csoportja készített képeket a hidrogénatomról. Ezek a fotoionizációs mikroszkóppal készült képek az elektronsűrűség-eloszlást mutatják, ami teljesen egybeesik az elméleti számítások eredményeivel. A nemzetközi csoport munkáját a Physical Review Letters oldalain mutatják be.
A fotoionizációs módszer lényege a hidrogénatomok szekvenciális ionizálásában, vagyis az elektromágneses besugárzás hatására egy elektron leválásában rejlik. Az elválasztott elektronok egy pozitív töltésű gyűrűn keresztül az érzékeny mátrixba kerülnek, és az elektron helyzete a mátrixszal való ütközés pillanatában az elektron helyzetét tükrözi az atom ionizációjának pillanatában. Az elektronokat oldalra terelő töltött gyűrű lencseként működik, és segítségével milliószorosára nagyítja a képet.
Ezzel a 2004-ben ismertetett módszerrel már az egyes molekulákról „fényképeket” készítettek, de a fizikusok tovább mentek, és fotoionizációs mikroszkóp segítségével vizsgálták a hidrogénatomokat. Mivel egy elektron becsapódása csak egy pontot ad, a kutatók mintegy 20 ezer egyedi elektront halmoztak fel különböző atomokból, és egy átlagos képet állítottak össze az elektronhéjakról.
A kvantummechanika törvényei szerint az atomban lévő elektronnak önmagában nincs meghatározott pozíciója. Csak akkor, ha egy atom kölcsönhatásba lép a külső környezettel, egy ilyen vagy olyan valószínűségű elektron jelenik meg az atommag egy bizonyos közelében: azt a tartományt, amelyben az elektron kimutatásának valószínűsége maximális, elektronhéjnak nevezzük. Az új képeken a különböző energiaállapotú atomok közötti különbségek láthatók; a tudósok vizuálisan demonstrálhatták az elektronhéjak kvantummechanika által megjósolt alakját.
Más műszerekkel, pásztázó alagútmikroszkóppal az egyes atomok nem csak láthatók, hanem a kívánt helyre is mozgathatók. Körülbelül egy hónapja ez a technika lehetővé tette az IBM mérnökei számára, hogy rajzfilmet rajzoljanak, amelynek minden képkockája atomokból áll: az ilyen művészi kísérleteknek nincs gyakorlati hatása, de az atomok manipulálásának alapvető lehetőségét demonstrálják. Alkalmazott célokra már nem atomi összeállítást alkalmaznak, hanem kémiai folyamatokat, amelyekben a nanoszerkezetek önszerveződnek, vagy önkorlátozzák a monoatomi rétegek növekedését egy szubsztrátumon.
A hidrogénatom befogja az elektronfelhőket. És bár a modern fizikusok gyorsítók segítségével még a proton alakját is meg tudják határozni, a hidrogénatom nyilvánvalóan a legkisebb objektum marad, amelynek képét érdemes fényképnek nevezni. A "Lenta.ru" áttekintést nyújt a mikrovilág fényképezésének modern módszereiről.
Szigorúan véve a hétköznapi fotózás mára már szinte eltűnt. Azok a képek, amelyeket szokás szerint fényképeknek nevezünk, és megtalálhatók például a "Lenta.ru" bármely fotóriportjában, valójában számítógépes modellek. Egy speciális készülékben (hagyományosan még "kamerának" hívják) egy fényérzékeny mátrix határozza meg a fényintenzitás térbeli eloszlását több különböző spektrális tartományban, a vezérlőelektronika ezeket az adatokat digitális formában tárolja, majd egy másik elektronikus áramkör az ez az adat parancsot ad a tranzisztoroknak a folyadékkristályos kijelzőn ... Fólia, papír, speciális megoldások ezek feldolgozására – mindez egzotikussá vált. És ha emlékszünk a szó szó szerinti jelentésére, akkor a fényképezés „fényfestés”. Szóval mit mondjak arról, hogy mi sikerült a tudósoknak fényképezni atom, ez csak megfelelő konvencióval lehetséges.
A csillagászati képek több mint felét régóta infravörös, ultraibolya és röntgenteleszkópok készítették. Az elektronmikroszkópokat nem fénnyel, hanem elektronsugárral sugározzák be, az atomerőmikroszkópok pedig tűvel pásztázzák a minta domborzatát. Vannak röntgenmikroszkópok és mágneses rezonancia képalkotó gépek. Mindezek az eszközök pontos képet adnak a különféle tárgyakról, és annak ellenére, hogy itt persze nem kell "fényfestésről" beszélni, mégis merjük fotóknak nevezni az ilyen képeket.
A fizikusok kísérletei a proton alakjának vagy a kvarkok részecskéken belüli eloszlásának meghatározására a színfalak mögött maradnak; történetünk az atomok léptékére korlátozódik.
Az optika soha nem öregszik
Mint a 20. század második felében kiderült, az optikai mikroszkópoknak még bőven van mit fejleszteni. A biológiai és orvosi kutatások meghatározó pillanata a fluoreszcens festékek és bizonyos anyagok szelektív jelölésére szolgáló módszerek megjelenése. Ez nem csak új festék volt, hanem igazi forradalom.
A közhiedelemmel ellentétben a fluoreszcencia egyáltalán nem világít a sötétben (ez utóbbit lumineszcenciának hívják). Ez az a jelenség, amikor egy bizonyos energiájú kvantum (mondjuk a kék fény) elnyelődik, majd más, alacsonyabb energiájú kvantumokat bocsát ki, és ennek megfelelően más fényt (amikor a kék elnyelődik, zöldek bocsátanak ki). Ha olyan szűrőt teszel be, amely csak a festék által kibocsátott mennyiséget engedi át, és megfogja a fluoreszcenciát okozó fényt, akkor sötét háttér látható fényes festékfoltokkal, és a színezékek viszont rendkívül elszínezhetik a mintát. szelektíven.
Például egy idegsejt citoszkeletonját vörösre festheti, a szinapszisokat zöldre, a sejtmagot pedig kékre festheti. Készíthet fluoreszcens címkét, amely bizonyos körülmények között lehetővé teszi a membránon lévő fehérjereceptorok vagy a sejt által szintetizált molekulák kimutatását. Az immunhisztokémiai festés forradalmasította a biológiai tudományt. És amikor a génmérnökök megtanulták, hogy fluoreszcens fehérjékkel transzgenikus állatokat készítsenek, ez a módszer újjászületett: például valósággá váltak a különböző színű neuronokat tartalmazó egerek.
Emellett a mérnökök kidolgozták (és a gyakorlatban is kidolgozták) az úgynevezett konfokális mikroszkópos módszert. Lényege abban rejlik, hogy a mikroszkóp egy nagyon vékony rétegre fókuszál, és egy speciális membrán vágja le az ezen a rétegen kívüli tárgyak által keltett megvilágítást. Egy ilyen mikroszkóp szekvenciálisan képes felülről lefelé pásztázni a mintát, és fogadni egy halom képet, ami kész alapja egy háromdimenziós modellnek.
A lézerek és a kifinomult optikai sugárvezérlő rendszerek alkalmazása megoldotta a festék kiégésének és a kényes biológiai minták erős fényben történő kiszáradásának problémáját: a lézersugár csak akkor pásztázza a mintát, ha az a felvételhez szükséges. És annak érdekében, hogy ne vesztegessünk időt és erőfeszítést egy nagy minta keskeny látómezőjű szemlencsén keresztüli vizsgálatára, a mérnökök egy automatikus letapogató rendszert javasoltak: egy poharat egy mintával egy modern mikroszkóp színpadára helyezhet, és a a készülék önállóan nagyméretű panorámát készít a teljes mintáról. Ugyanakkor a megfelelő helyeken fókuszál, majd sok képkockát összeragaszt.
Egyes mikroszkópok elférnek élő egereken, patkányokon vagy legalábbis kis gerincteleneken. Mások enyhe növekedést adnak, de röntgenkészülékkel kombinálják. Sokukat speciális, több tonnás tömegű asztalokra szerelik fel, hogy kiküszöböljék a rezgések okozta interferenciát, beltérben, gondosan ellenőrzött mikroklímával. Az ilyen rendszerek költsége meghaladja a többi elektronmikroszkópét, és a legszebb keretért folyó versenyek már régóta hagyománnyá váltak. Emellett az optika fejlesztése is folytatódik: a legjobb üvegtípusok keresésétől és a legjobb lencsekombinációk kiválasztásától a mérnökök a fény fókuszálási módszerei felé mozdultak el.
Konkrétan felsoroltunk néhány technikai részletet annak bizonyítására, hogy a biológiai kutatás előrehaladása régóta összefüggésbe hozható más területek előrehaladásával. Ha nem lennének számítógépek, amelyek képesek lennének automatikusan megszámolni a festett sejtek számát több száz fényképen, akkor a szupermikroszkópoknak nem sok haszna lenne. Fluoreszcens festékek nélkül pedig az összes millió sejt megkülönböztethetetlen lenne egymástól, így szinte lehetetlen lenne nyomon követni újak keletkezését vagy a régiek pusztulását.
Valójában az első mikroszkóp egy bilincs volt, amelyhez gömb alakú lencsét erősítettek. Egy ilyen mikroszkóp analógja lehet egy egyszerű játékkártya, benne egy lyukkal és egy csepp vízzel. Egyes jelentések szerint ilyen eszközöket már a múlt században is használtak Kolimai aranybányászok.
A diffrakciós határon túl
Az optikai mikroszkópoknak van egy alapvető hátránya. Az a tény, hogy a fényhullámok alakjából lehetetlen helyreállítani azoknak a tárgyaknak a formáját, amelyek a hullámhossznál jóval kisebbnek bizonyultak: akár kézzel is megkísérelheti az anyag finom textúráját vizsgálni. vastag kesztyű a hegesztéshez.
A diffrakció okozta korlátokat részben leküzdöttük, anélkül, hogy megsértették volna a fizika törvényeit. Két körülmény segíti az optikai mikroszkópokat abban, hogy a diffrakciós gát alá merüljenek: az a tény, hogy a fluoreszcencia során kvantumokat bocsátanak ki egyedi festékmolekulák (amelyek meglehetősen távol lehetnek egymástól), valamint az, hogy a fényhullámok szuperpozíciója miatt. , lehetőség van a hullámhossznál kisebb átmérőjű fényes folt elérésére.
A fényhullámok egymásra helyezve képesek egymást kölcsönösen kioltani, ezért a minta megvilágítási paraméterei úgy, hogy a lehető legkisebb terület kerüljön a világos területre. Matematikai algoritmusokkal kombinálva, amelyek lehetővé teszik például a szellemkép eltávolítását a képen, az ilyen irányított megvilágítás élesen javítja a fényképezés minőségét. Lehetővé válik például az intracelluláris struktúrák optikai mikroszkóppal történő vizsgálata, sőt (a leírt módszer konfokális mikroszkópiával kombinálva) háromdimenziós képeinek elkészítése.
Elektronmikroszkóp elektronikus eszközökhöz
Az atomok és molekulák felfedezéséhez a tudósoknak nem kellett rájuk nézniük – a molekuláris elméletnek nem kellett objektumot látnia. A mikrobiológia azonban csak a mikroszkóp feltalálása után vált lehetségessé. Ezért a mikroszkópokat eleinte pontosan az orvostudományhoz és a biológiához kapcsolták: a fizikusokat és a vegyészeket, akik sokkal kisebb tárgyakat tanulmányoztak, más eszközökkel kezelték. Amikor a mikrokozmoszra is szerettek volna tekinteni, komoly problémává váltak a diffrakciós korlátok, különösen azért, mert a fent leírt fluoreszcens mikroszkópos módszereket még nem ismerték. A felbontást pedig nem sok értelme 500-ról 100 nanométerre emelni, ha még kisebb a vizsgálandó tárgy!
Tudván, hogy az elektronok hullámként és részecskeként is viselkedhetnek, német fizikusok 1926-ban létrehoztak egy elektronikus lencsét. A mögöttes ötlet nagyon egyszerű és minden iskolás számára érthető volt: mivel az elektromágneses tér eltéríti az elektronokat, ezzel a részecskék nyalábjának alakját széthúzva megváltoztathatjuk, vagy éppen ellenkezőleg, csökkenthetjük a nyaláb átmérőjét. . Öt évvel később, 1931-ben Ernst Ruska és Max Knoll megépítette a világ első elektronmikroszkópját. A készülékben a mintát először egy elektronsugár világította meg, majd egy elektronlencse kitágította az átvitt sugarat, mielőtt az egy speciális lumineszcens képernyőre esett volna. Az első mikroszkóp mindössze 400-szoros nagyítást adott, de a fény elektronokkal való helyettesítése több százezerszeres nagyítással nyitotta meg az utat a fotózás előtt: a tervezőknek csak több technikai akadályt kellett leküzdeniük.
Az elektronmikroszkóppal korábban elérhetetlen minőségben lehetett vizsgálni a sejtek szerkezetét. De ebből a képből lehetetlen megérteni a sejtek korát és bizonyos fehérjék jelenlétét bennük, és ez az információ nagyon szükséges a tudósok számára.
Az elektronmikroszkópok ma már lehetővé teszik a vírusok közeli fényképezését. Az eszközöknek különféle módosításai vannak, amelyek nem csak a vékony metszeteken való áttekintést teszik lehetővé, hanem "visszavert fényben" is (természetesen visszavert elektronokban). Nem fogunk részletesen beszélni a mikroszkópok minden változatáról, de megjegyezzük, hogy a közelmúltban a kutatók megtanulták, hogyan lehet képet rekonstruálni diffrakciós mintából.
Érintse meg, ne mérlegelje
Újabb forradalom következett be a „fény és láss” elvtől való további eltérésből. Az atomerő-mikroszkóp, valamint a pásztázó alagútmikroszkóp már nem világít a minták felületén. Ehelyett egy különösen vékony tű mozog a felületen, amely szó szerint még az egyes atomok méretű egyenetlenségein is visszapattan.
Anélkül, hogy az összes ilyen módszer részleteibe belemennénk, megjegyezzük a lényeget: az alagútmikroszkóp hegyét nemcsak a felület mentén lehet mozgatni, hanem az atomok helyről-helyre történő átrendezésére is használható. A tudósok így készítenek feliratokat, rajzokat, sőt rajzfilmeket is, amelyekben egy festett fiú atommal játszik. Valódi xenon atom, pásztázó alagútmikroszkóp hegyével vonszolva.
Alagútmikroszkópnak nevezik, mert a csúcson átfolyó alagútáram hatását használja: az elektronok áthaladnak a csúcs és a felület közötti résen a kvantummechanika által megjósolt alagúthatás miatt. Egy ilyen eszköz működéséhez vákuum szükséges.
Az atomerő-mikroszkóp (AFM) sokkal kevésbé igényli a környezeti feltételeket - (számos korláttal) levegőelszívás nélkül is működik. Bizonyos értelemben az AFM a gramofon nanotechnológiai utódja. Egy vékony és rugalmas konzolos karra szerelt tű ( konzolés van egy "konzol"), a felület mentén mozog anélkül, hogy feszültséget adna rá, és ugyanúgy követi a minta domborzatát, ahogy a gramofontű a gramofonlemez barázdáit követi. A konzol meghajlítása a rá rögzített tükröt elhajlásra, a tükör a lézersugarat elhajtja, és ez nagyon pontos meghatározást tesz lehetővé a vizsgált minta alakjának. A lényeg csak az, hogy legyen egy kellően pontos rendszer a tű mozgatásához, valamint olyan tűkészlet, amelynek tökéletesen élesnek kell lennie. Az ilyen tűk hegyének görbületi sugara nem haladhatja meg az egy nanométert.
Az AFM lehetővé teszi az egyes atomok és molekulák megtekintését, azonban az alagútmikroszkóphoz hasonlóan nem enged benézni a minta felszíne alá. Más szóval, a tudósoknak választaniuk kell az atomok látása és a teljes objektum egészének tanulmányozása között. A vizsgált minták belseje azonban még az optikai mikroszkópok esetében sem mindig hozzáférhető, mert az ásványok vagy fémek általában rosszul eresztik át a fényt. Ráadásul az atomok fényképezésekor továbbra is nehézségek adódnak - ezek a tárgyak egyszerű golyóknak tűnnek, az elektronfelhők alakja nem látható az ilyen fényképeken.
A töltött részecskék gyorsítókkal felgyorsított lassulása által generált szinkrotronsugárzás lehetővé teszi a történelem előtti állatok megkövesedett maradványainak tanulmányozását. Röntgen alatti mintát forgatva háromdimenziós tomogramot kaphatunk - így került elő például a halak koponyáján belüli agy, amely 300 millió éve kihalt. A forgatástól akkor is eltekinthetünk, ha az átvitt sugárzást diffrakcióval szórt röntgensugarak rögzítésével rögzítjük.
És ez nem minden lehetőség, amelyet a röntgensugárzás nyit meg. Besugározva sok anyag fluoreszkál, és a fluoreszcencia természetéből adódóan meg lehet határozni az anyag kémiai összetételét: ilyen módon színezik a tudósok az ősi leleteket, Arkhimédész középkorban kitörölt műveit, vagy a színt. rég kihalt madarak tollaiból.
Atomok pózolnak
A röntgensugaras vagy optikai-fluoreszcencia módszerek által kínált összes lehetőség hátterében az egyes atomok fényképezésének új módja nem tűnik olyan nagy áttörésnek a tudományban. A héten bemutatott képek beszerzését lehetővé tevő módszer lényege a következő: az ionizált atomokból elektronokat vonnak le, és egy speciális detektorba küldik. Minden egyes ionizációs aktus kihúz egy elektront egy bizonyos pozícióból, és egy pontot ad a „fényképen”. Több ezer ilyen pont felhalmozása után a tudósok olyan képet alkottak, amely bemutatja az elektron észlelésének legvalószínűbb helyeit egy atommag körül, és ez definíció szerint egy elektronfelhő.
Végezetül mondjuk azt, hogy az egyes atomok elektronfelhőivel való meglátása inkább a hab a modern mikroszkópia tortáján. A tudósok számára fontos volt az anyagok szerkezetének tanulmányozása, a sejtek és kristályok vizsgálata, és az ebből eredő technológiai fejlődés lehetővé tette a hidrogénatom elérését. Minden, ami kevesebb, már az elemi részecskefizika szakembereinek érdeklődési köre. A biológusoknak, anyagtudósoknak és geológusoknak pedig még van hova fejleszteni a mikroszkópokat, még az atomok hátterében még meglehetősen szerény nagyítással is. A neurofiziológiával foglalkozó szakemberek például régóta szerettek volna egy olyan eszközt, amely képes látni az egyes sejteket egy élő agy belsejében, a roverek alkotói pedig eladnák a lelküket egy elektronmikroszkópért, amely felmászik egy űrhajó fedélzetére, és a Marson is működhet.
Mint tudják, az Univerzumban minden anyag atomokból áll. Az atom az anyag legkisebb egysége, amely hordozza tulajdonságait. Az atom szerkezetét viszont a mikrorészecskék mágikus hármassága alkotja: protonok, neutronok és elektronok.
Ezenkívül a mikrorészecskék mindegyike univerzális. Vagyis nem találhatunk két különböző protont, neutront vagy elektront a világon. Mindegyik teljesen hasonló egymáshoz. És az atom tulajdonságai csak ezeknek a mikrorészecskéknek az atom általános szerkezetében lévő mennyiségi összetételétől függenek.
Például egy hidrogénatom szerkezete egy protonból és egy elektronból áll. A következő összetettségben a hélium atom két protonból, két neutronból és két elektronból áll. A lítium atom három protonból, négy neutronból és három elektronból áll, stb.
Atomszerkezet (balról jobbra): hidrogén, hélium, lítium
Az atomok molekulákká, a molekulák pedig anyagokká, ásványi anyagokká és organizmusokká egyesülnek. A DNS-molekula, amely minden élőlény alapja, egy olyan szerkezet, amely az univerzum három varázstéglájából áll össze, mint egy kő, amely az úton hever. Bár ez a szerkezet sokkal összetettebb.
Még meglepőbb tényekre derül fény, ha megpróbáljuk közelebbről szemügyre venni az atomrendszer arányait és szerkezetét. Ismeretes, hogy az atom egy magból és a körülötte egy gömböt leíró pályán mozgó elektronokból áll. Vagyis nem is nevezhető mozgalomnak a szó szokásos értelmében. Az elektron inkább mindenhol és közvetlenül ebben a szférában található, elektronfelhőt hozva létre az atommag körül, és elektromágneses teret képezve.
Az atom szerkezetének sematikus ábrázolásai
Az atommag protonokból és neutronokból áll, és a rendszer szinte teljes tömege benne összpontosul. Ugyanakkor maga az atommag olyan kicsi, hogy ha 1 cm-es skálára növeli a sugarát, akkor a teljes atomszerkezet sugara eléri a több száz métert. Így minden, amit sűrű anyagként érzékelünk, a fizikai részecskék közötti energiakapcsolatok több mint 99%-a és maguk a fizikai formák kevesebb, mint 1%-a.
De mik is ezek a fizikai formák? Miből készülnek és milyen anyagúak? A kérdések megválaszolásához nézzük meg közelebbről a protonok, neutronok és elektronok szerkezetét. Tehát még egy lépést leereszkedünk a mikrovilág mélyére - a szubatomi részecskék szintjére.
Miből áll egy elektron?
Az atomban a legkisebb részecske egy elektron. Az elektronnak van tömege, de nincs térfogata. A tudományos felfogás szerint az elektron nem áll semmiből, hanem egy szerkezet nélküli pont.
Az elektron nem látható mikroszkóp alatt. Csak elektronfelhő formájában figyelhető meg, amely úgy néz ki, mint egy elmosódott gömb az atommag körül. Ugyanakkor nem lehet pontosan megmondani, hogy az elektron hol van az adott pillanatban. Az eszközök nem magát a részecskét, hanem csak annak energianyomát képesek rögzíteni. Az elektron lényege nincs beágyazva az anyag fogalmába. Inkább olyan, mint egyfajta üres forma, amely csak mozgásban és mozgás következtében létezik.
Eddig nem találtak szerkezetet az elektronban. Ugyanaz a pontszerű részecske, mint az energiakvantum. Valójában az elektron energia, de ennek stabilabb formája, mint az, amit a fény fotonjai képviselnek.
Jelenleg az elektron oszthatatlannak számít. Ez érthető, mert azt nem lehet felosztani, aminek nincs hangereje. Elméletileg azonban már léteznek olyan fejlemények, amelyek szerint az elektron összetétele olyan kvázirészecskék hármasságát tartalmazza, mint:
- Orbiton - információkat tartalmaz az elektron pályahelyzetéről;
- A spinon felelős a forgásért vagy a nyomatékért;
- Holon - információt hordoz az elektron töltésével kapcsolatban.
Azonban, mint látjuk, az anyaggal való kvázirészecskéknek már nincs semmi közös vonásuk, és csak egy információt hordoznak.
Fényképek különböző anyagok atomjairól elektronmikroszkópban
Érdekes módon egy elektron képes elnyelni az energia kvantumait, például fényt vagy hőt. Ebben az esetben az atom új energiaszintre lép, és az elektronfelhő határai kitágulnak. Az is előfordul, hogy az elektron által elnyelt energia akkora, hogy ki tud ugrani az atomrendszerből, majd önálló részecskeként folytatja mozgását. Ugyanakkor fényfotonként viselkedik, vagyis úgy tűnik, hogy megszűnik részecske lenni, és megkezdi a hullám tulajdonságait. Ezt kísérletileg bebizonyították.
Jung kísérlete
A kísérlet során egy elektronáramot irányítottak egy képernyőre, amelyen két rést vágtak. Ezeken a réseken áthaladva az elektronok egy másik - vetítővászon felületének ütköztek, nyomot hagyva rajta. Az elektronokkal való "bombázás" eredményeként a vetítővásznon egy interferencia-mintázat jelent meg, amely hasonló ahhoz, ami akkor jelenne meg, ha a két résen hullámok, de nem részecskék haladnának át.
Egy ilyen minta abból adódik, hogy a két rés között áthaladó hullám két hullámra oszlik. A további mozgás hatására a hullámok átfedik egymást, egyes területeken kölcsönös csillapításuk következik be. Ennek eredményeként sok csíkot kapunk a vetítővásznon egy helyett, mintha az elektron részecskeként viselkedne.
Az atommag szerkezete: protonok és neutronok
A protonok és a neutronok alkotják az atommagot. És annak ellenére, hogy a mag a teljes térfogat kevesebb mint 1% -át foglalja el, ebben a szerkezetben koncentrálódik a rendszer szinte teljes tömege. De a protonok és a neutronok szerkezetének rovására a fizikusok véleménye megoszlott, és jelenleg két elmélet létezik egyszerre.
- 1. elmélet – Szabvány
A standard modell szerint a protonok és a neutronok három kvarkból állnak, amelyeket gluonfelhő köt össze. A kvarkok pontszerű részecskék, akárcsak a kvantumok és az elektronok. A gluonok pedig virtuális részecskék, amelyek biztosítják a kvarkok kölcsönhatását. A természetben azonban sem kvarkokat, sem gluonokat nem találtak, ezért ez a modell komoly kritikáknak örvend.
- 2. elmélet – Alternatív
De az egyesített tér Einstein által kidolgozott alternatív elmélete szerint a proton, akárcsak a neutron, mint a fizikai világ bármely más részecskéje, fénysebességgel forgó elektromágneses tér.
Az emberi és a bolygó elektromágneses mezői
Mik az atom szerkezetének elvei?
A világon minden - vékony és sűrű, folyékony, szilárd és gázhalmazállapotú - csak az Univerzum terét átható, számtalan mező energiaállapota. Minél magasabb az energiaszint a mezőben, annál vékonyabb és kevésbé érzékelhető. Minél alacsonyabb az energiaszint, annál stabilabb és kézzelfoghatóbb. Az atom szerkezetében, akárcsak az Univerzum bármely más egységének szerkezetében, az ilyen – energiasűrűségben eltérő – mezők kölcsönhatása rejlik. Kiderült, hogy az anyag csak az elme illúziója.
Magának az atomnak a fotózása, és nem annak egy részének fotózása azonban rendkívül nehéz feladatnak tűnt, még a legmodernebb eszközökkel is.
A tény az, hogy a kvantummechanika törvényei szerint lehetetlen egyformán pontosan meghatározni egy szubatomi részecske összes tulajdonságát. Az elméleti fizika ezen része a Heisenberg-féle bizonytalansági elvre épül, amely kimondja, hogy lehetetlen egy részecske koordinátáit és impulzusát egyformán pontosan megmérni – az egyik tulajdonság pontos mérése minden bizonnyal megváltoztatja a másikkal kapcsolatos adatokat.
Ezért a kvantumelmélet a hely (a részecske koordinátáinak) meghatározása helyett az úgynevezett hullámfüggvény mérését javasolja.
A hullámfüggvény nagyjából ugyanúgy működik, mint a hanghullám. A különbség csak annyi, hogy a hanghullám matematikai leírása határozza meg a molekulák mozgását a levegőben egy adott helyen, a hullámfüggvény pedig a Schrödinger-egyenlet szerint írja le a részecske megjelenésének valószínűségét egy adott helyen.
A hullámfüggvény mérése is nehézkes (a közvetlen megfigyelések összeomlásához vezetnek), de az elméleti fizikusok nagyjából meg tudják jósolni az értékeit.
A hullámfüggvény összes paraméterének kísérleti mérése csak akkor lehetséges, ha azt teljesen azonos atom- vagy molekularendszereken végzett külön roncsolásos mérésekből gyűjtjük össze.
A holland AMOLF kutatóintézet fizikusai egy új módszert mutattak be, amely nem igényel "átalakítást", és munkájuk eredményét a Physical Review Letters folyóiratban tették közzé. Módszertanuk három szovjet elméleti fizikus 1981-es hipotézisén, valamint későbbi kutatásokon alapul.
A kísérlet során egy tudóscsoport két lézersugarat irányított egy speciális kamrában elhelyezett hidrogénatomokra. Ennek a hatásnak a hatására az elektronok hullámfüggvényeik által meghatározott sebességgel és iránnyal hagyták el pályájukat. A hidrogénatomokat tartalmazó kamrában erős elektromos tér elektronokat küld a sík (lapos) detektor bizonyos részeire.
A detektorba ütköző elektronok helyzetét a kezdeti sebességük határozta meg, nem a kamrában elfoglalt helyzetük. Így a detektoron lévő elektronok eloszlása elárulta a tudósoknak e részecskék hullámfüggvényét, amely akkor volt, amikor elhagyták a hidrogénatom magja körüli pályát.
Az elektronok mozgását egy foszforeszkáló képernyőn jelenítették meg sötét és világos gyűrűk formájában, amelyeket a tudósok nagy felbontású digitális fényképezőgéppel fényképeztek le.
"Nagyon elégedettek vagyunk az eredményeinkkel. A kvantummechanikának olyan kevés köze van az emberek mindennapi életéhez, hogy aligha gondolt volna valakinek valódi fényképet készíteni az atomban zajló kvantumkölcsönhatásokról" - mondja Aneta Stodolna, a vezető szerző. Azt is állítja, hogy a kifejlesztett technikának gyakorlati alkalmazásai lehetnek, például atomvastagságú vezetők létrehozására, a molekuláris huzaltechnológia fejlesztésére, amely jelentősen javítja a modern elektronikai eszközöket.
"Figyelemre méltó, hogy a kísérletet pontosan hidrogénnel végezték - egyúttal Univerzumunk legegyszerűbb és legelterjedtebb anyagán. Meg kell érteni, hogy ez a technika alkalmazható-e bonyolultabb atomokra. de a nanotechnológiára is, " mondja Jeff Lundeen, az Ottawai Egyetem munkatársa, aki nem vett részt a vizsgálatban.
Maguk a kísérletet végző tudósok azonban nem gondolnak a kérdés gyakorlati oldalára. Úgy vélik, hogy felfedezésük elsősorban az alaptudományhoz kapcsolódik, ami segít több tudás átadásában a jövő fizikusgenerációinak.
A PostNauka megdönti a tudományos mítoszokat és megmagyarázza a gyakori tévhiteket. Szakértőinket arra kértük, hogy kommentálják az atomok szerkezetével és tulajdonságaival kapcsolatos népszerű elképzeléseket.
Rutherford modellje megfelel az atom szerkezetére vonatkozó modern elképzeléseknek
Ez igaz, de részben. Az atom bolygómodelljét, amelyben a könnyű elektronok a Nap körüli bolygókhoz hasonlóan a nehéz mag körül keringenek, Ernest Rutherford javasolta 1911-ben, miután magát az atommagot felfedezték laboratóriumában. Egy fémfólialapot alfa-részecskékkel bombázva a tudósok azt találták, hogy a részecskék túlnyomó többsége áthalad a fólián, mint a fény az üvegen. Azonban egy kis töredékük - körülbelül egy a 8000-ből - visszatükröződött a forráshoz. Rutherford ezeket az eredményeket azzal magyarázta, hogy a tömeg nem egyenletesen oszlik el az anyagban, hanem "csomókban" koncentrálódik - olyan atommagokban, amelyek pozitív töltést hordoznak, és taszítják a pozitív töltésű alfa-részecskéket. A könnyű negatív töltésű elektronok a körülöttük forogva elkerülik, hogy "esjenek" az atommagra, így a centrifugális erő egyensúlyba hozza az elektrosztatikus vonzást.
Azt mondják, hogy a modell feltalálásakor Rutherford felkiáltott: "Most már tudom, hogy néz ki egy atom!" Azonban hamarosan, az ihlet nyomán, Rutherford ráébredt ötletének hibásságára. Az atommag körül forogva az elektron váltakozó elektromos és mágneses tereket hoz létre maga körül. Ezek a mezők fénysebességgel terjednek elektromágneses hullám formájában. És egy ilyen hullám energiát hordoz! Kiderült, hogy az atommag körül forogva az elektron folyamatosan energiát veszít, és a másodperc milliárdod részein belül ráesik az atommagra. (Felmerülhet a kérdés, hogy alkalmazható-e ugyanez az érv a Naprendszer bolygóira: miért nem esnek a Napra? Válasz: a gravitációs hullámok, ha egyáltalán léteznek, sokkal gyengébbek, mint az elektromágneses hullámok, ill. a bolygókban tárolt energia sokkal nagyobb, mint az elektronokban, így a bolygók "erőtartaléka" sok nagyságrenddel nagyobb.)
Rutherford utasította munkatársát, a fiatal teoretikust, Niels Bohrt, hogy oldja fel az ellentmondást. Két év munka után Bohr részleges megoldást talált. Feltételezte, hogy az elektron minden lehetséges pályája között vannak olyanok, amelyeken az elektron hosszú ideig tartózkodhat anélkül, hogy kibocsátana. Az elektron mozoghat egyik álló pályáról a másikra, miközben elnyeli vagy kibocsátja az elektromágneses tér olyan kvantumát, amelynek energiája megegyezik a két pálya energiáinak különbségével. A kvantumfizika addigra már felfedezett kezdeti elveit felhasználva Bohr ki tudta számítani az állópályák paramétereit, és ennek megfelelően az átmeneteknek megfelelő sugárzási kvantumok energiáit. Addigra ezeket az energiákat spektroszkópiai módszerekkel mérték, és Bohr elméleti előrejelzései szinte tökéletesen egybeestek e mérések eredményeivel!
E diadalmas eredmény ellenére Bohr elmélete aligha tisztázta az atomfizika kérdéskörét, mert az félig empirikus volt: az állópályák jelenlétét feltételezve semmilyen módon nem magyarázta meg azok fizikai természetét. A probléma mélyreható magyarázatához még legalább két évtizedre volt szükség, amely alatt a kvantummechanikát szisztematikus, integrált fizikai elméletként fejlesztették ki.
Ennek az elméletnek a keretein belül az elektron a bizonytalanság elvének engedelmeskedik, és nem egy anyagi ponttal írja le, mint egy bolygót, hanem egy hullámfüggvénnyel, amely a teljes pályán "elkenődik". Minden időpillanatban a pálya minden pontjának megfelelő állapotok szuperpozíciójában van. Mivel a hullámfüggvény által meghatározott térbeli tömegeloszlás sűrűsége nem függ az időtől, az elektron körül nem jön létre váltakozó elektromágneses tér; nincs energiaveszteség sem.
Így a bolygómodell helyes vizuális ábrázolást ad arról, hogyan néz ki egy atom – Rutherfordnak igaza volt a felkiáltásában. Azonban nem ad magyarázatot az atom működésére: ez az eszköz sokkal összetettebb és mélyebb, mint valami, amit Rutherford modellezett.
Végezetül szeretném megjegyezni, hogy a bolygómodell "mítosza" annak az intellektuális drámának a középpontjában áll, amely száz évvel ezelőtt fordulópontot hozott a fizikában, és nagymértékben formálta ezt a tudományt a modern korában. forma.
Alekszandr Lvovszkij
PhD fizikából, a Calgaryi Egyetem Fizikai Karának professzora, a tudományos csoport vezetője, az Orosz Kvantumközpont Tudományos Tanácsának tagja, az Optics Express tudományos folyóirat szerkesztője
Az egyes atomok szabályozhatók
Ez igaz. Persze lehet, miért ne? Az atom különböző paramétereit szabályozhatod, és az atomnak rengeteg van: van helye a térben, sebessége, és vannak belső szabadsági fokai is. A belső szabadsági fokok meghatározzák az atom mágneses és elektromos tulajdonságait, valamint a fény- vagy rádióhullámok kibocsátási hajlandóságát. Az atom belső állapotától függően többé-kevésbé aktív lehet az ütközésekben, kémiai reakciókban, megváltoztathatja a környező atomok tulajdonságait, és a külső mezőkre adott reakciója a belső állapotától függ. Az orvostudományban például az úgynevezett polarizált gázokat használják a tüdő tomogramjainak összeállítására - ilyen gázokban minden atom azonos belső állapotban van, ami lehetővé teszi, hogy válaszukkal "lássuk" az általuk kitöltött térfogatot.
Egy atom sebességének vagy helyzetének szabályozása nem olyan nehéz, sokkal nehezebb pontosan egy atomot kiválasztani a szabályozáshoz. De ezt is meg lehet tenni. Az ilyen atomleválasztás egyik megközelítése lézeres hűtés segítségével valósul meg. A vezérléshez mindig kényelmes egy ismert kezdőpozíció, nagyon jó, ha az atom még mindig nem mozog egy időben. A lézeres hűtés lehetővé teszi mindkettő elérését, az atomok lokalizálását a térben és hűtését, azaz sebességük majdnem nullára csökkentését. A lézeres hűtés elve ugyanaz, mint a sugársík esetében, csak az utóbbi gázáramot bocsát ki a gyorsulás érdekében, és az első esetben az atom éppen ellenkezőleg, elnyeli a fotonok (fényrészecskék) áramlását és lelassul. . A lézeres hűtés modern módszerei lehetővé teszik atomok millióinak lehűtését gyalogos sebességre vagy annál kisebb sebességre. Ezenkívül különféle passzív csapdák lépnek életbe, például a dipóluscsapda. Ha lézeres hűtésre fényteret használunk, amelyet az atom aktívan elnyel, akkor a dipóluscsapdában tartásához a fény frekvenciáját az abszorpciótól távol választjuk meg. Kiderült, hogy az erősen fókuszált lézerfény képes a kis részecskéket és a porszemcséket polarizálni, és a legmagasabb fényintenzitású tartományba húzni. Az atom sem kivétel, és szintén a legerősebb mező tartományába kerül. Kiderült, hogy ha a fényt a lehető legerősebben fókuszálja, akkor csak pontosan egy atomot lehet tartani egy ilyen csapdában. A helyzet az, hogy ha a második beleesik a csapdába, akkor olyan erősen rányomódik az elsőre, hogy molekulát alkotnak, és ugyanakkor kiesnek a csapdából. Az ilyen éles fókuszálás azonban nem az egyetlen módja egy atom elkülönítésének, az atom és a rezonátor kölcsönhatásának tulajdonságait is használhatjuk töltött atomokra, ionokra, elektromos mezőkkel pontosan egy iont rögzíthetünk és behatárolhatunk, stb. Még egy atomot is gerjeszthetsz egy meglehetősen korlátozott atomhalmazban egy nagyon erősen gerjesztett, úgynevezett Rydberg állapotba. A Rydberg állapotba gerjesztett atom blokkolja annak lehetőségét, hogy szomszédait ugyanabba az állapotba gerjesztse, és ha az atomok térfogata elég kicsi, akkor egyedi lesz.
Így vagy úgy, miután az atom csapdába esett, manipulálható. A belső állapot fény- és rádiófrekvenciás mezőkkel változtatható, az elektromágneses hullám kívánt frekvenciájának és polarizációjának felhasználásával. Lehetőség van egy atomot bármilyen előre meghatározott állapotba átvinni, legyen az egy bizonyos állapot - egy szint vagy azok szuperpozíciója. A kérdés csak a szükséges frekvenciák elérhetősége, valamint a kellően rövid és erős vezérlőimpulzusok készítésének képessége. A közelmúltban lehetővé vált az atomok hatékonyabb szabályozása, nanostruktúrák közelében tartása, ami lehetővé teszi, hogy ne csak hatékonyabban "beszélgessünk" az atommal, hanem magát az atomot - pontosabban belső állapotait - irányítsák. a fényáramok, és a jövőben talán , és számítási célokra.
A csapda által tartott atom helyzetének szabályozása nagyon egyszerű feladat - csak mozgassa magát a csapdát. Dipóluscsapda esetén mozgassuk a fénysugarat, amit például mozgatható tükrökkel is megtehetünk lézershow-hoz. Az atom sebességét ismét meg lehet adni reaktív módon - hogy elnyelje a fényt, és az ion elektromos térrel könnyen szétoszlatható, akárcsak a katódsugárcsövekben. Tehát ma elvileg bármit meg lehet csinálni az atommal, csak idő és erőfeszítés kérdése.
Alekszej Akimov
Az atom oszthatatlan
Részben igaz, részben nem. A Wikipédia a következő meghatározást adja nekünk: „Az atom (az ógörögül ἄτομος - oszthatatlan, vágatlan) az anyag mikroszkopikus méretű és tömegű részecskéje, a kémiai elem legkisebb része, amely tulajdonságainak hordozója. Az atom atommagból és elektronokból áll."
Bármely képzett személy ma már egy atomot képvisel Rutherford modelljében, amelyet ennek az általánosan elfogadott definíciónak az utolsó mondatában foglalunk össze. Úgy tűnik, hogy a válasz erre a kérdésre / mítoszra nyilvánvaló: az atom összetett és összetett objektum. A helyzet azonban nem ilyen egyértelmű. Az ókori filozófusok az atom definíciójába inkább egy elemi és oszthatatlan anyagrészecske létezésének jelentését tették bele, és aligha hozták összefüggésbe a problémát a periódusos rendszer elemeinek szerkezetével. Rutherford atomjában valóban találunk ilyen részecskét – ez egy elektron.
Elektron a modern koncepcióknak megfelelően, amelyek illeszkednek az ún
«> Standard modell, egy pont, amelynek állapotát a pozíció és a sebesség írja le. Lényeges, hogy ezen kinematikai jellemzők egyidejű megadása a Heisenberg-féle bizonytalansági elv miatt lehetetlen, de ezek közül csak az egyiket, például egy koordinátát figyelembe véve, tetszőlegesen nagy pontossággal meg lehet határozni.
Lehetséges-e ilyenkor modern kísérleti technikákkal egy elektront az atomméretnél lényegesen kisebb léptékben (~ 0,5 * 10-8 cm) lokalizálni, és ellenőrizni a hegyességét? Kiderült, hogy amikor egy elektront az úgynevezett Compton-hullámhossz skáláján próbálunk lokalizálni - körülbelül 137-szer kisebb, mint egy hidrogénatom mérete -, az elektron kölcsönhatásba lép az antianyagával, és a rendszer instabillá válik.
Az elektron és az anyag más elemi részecskéinek pontja és oszthatatlansága a térelméleti kis hatótávolságú kölcsönhatás elvének kulcseleme, és minden természetet leíró alapvető egyenletben jelen van. Így az ókori filozófusok nem jártak olyan messze az igazságtól, feltételezve, hogy az anyag oszthatatlan részecskéi léteznek.
Dmitrij Kuprijanov
A fizikai és matematikai tudományok doktora, a fizika professzora, a Szentpétervári Állami Műszaki Egyetem vezetője. SPbSPU Elméleti Fizikai Tanszék
Ez még mindig ismeretlen a tudomány számára. Az atom bolygómodellje, amelyet Rutherford javasolt, azt feltételezte, hogy az elektronok az atommag körül keringenek, mint a bolygók a Nap körül. Ugyanakkor természetes volt azt feltételezni, hogy az elektronok szilárd gömb alakú részecskék. Rutherford klasszikus modellje önellentmondásos volt. Nyilvánvaló, hogy a mozgó felgyorsított töltött részecskéknek (elektronoknak) az elektromágneses sugárzás miatt energiát kellene veszteniük, és végül az atommagokra esnének.
Niels Bohr javasolta ennek a folyamatnak a betiltását és bizonyos követelmények bevezetését azon pályák sugaraira vonatkozóan, amelyek mentén az elektronok mozognak. Bohr fenomenológiai modellje átadta helyét a Heisenberg által kidolgozott atom kvantummodelljének és az atom kvantum-, de inkább vizuális modelljének, amelyet Schrödinger javasolt. Schrödinger modelljében az elektronok már nem egy pályán repülő golyók, hanem állóhullámok, amelyek felhőkként lógnak az atommag felett. Ezeknek a "felhőknek" az alakját a Schrödinger által bevezetett hullámfüggvény írta le.
Rögtön felmerült a kérdés: mi a hullámfüggvény fizikai jelentése? A választ Max Born javasolta: a hullámfüggvény modulusának négyzete annak a valószínűsége, hogy a tér adott pontjában mekkora az elektron megtalálásának valószínűsége. És itt kezdődtek a nehézségek. Felmerült a kérdés: mit jelent elektront találni a tér adott pontjában? Born kijelentését nem úgy kell felfogni, mint annak felismerését, hogy az elektron egy kis golyó, amely egy bizonyos pályán repül, és amely ennek a pályának egy bizonyos pontján bizonyos valószínűséggel elkapható?
Ehhez az állásponthoz ragaszkodott Schrodinger és Albert Einstein, aki ebben a kérdésben csatlakozott hozzá. Ellenezték őket a koppenhágai iskola fizikusai - Niels Bohr és Werner Heisenberg, akik azzal érveltek, hogy az elektron egyszerűen nem létezik a mérési események között, ami azt jelenti, hogy nincs értelme mozgásának pályájáról beszélni. Bohr és Einstein vitája a kvantummechanika értelmezéséről bekerült a történelembe. A győztes Bohrnak tűnt: sikerült, bár nem túl egyértelműen, de cáfolnia minden Einstein által megfogalmazott paradoxont, sőt a Schrödinger által 1935-ben megfogalmazott „Schrödinger macskája” híres paradoxonát is. A legtöbb fizikus több évtizeden át egyetértett Bohrral abban, hogy az anyag nem egy objektív valóság, amelyet az érzetekben kapunk, ahogy azt Karl Marx tanította, hanem valami, ami csak a megfigyelés pillanatában keletkezik, és nem létezik megfigyelő nélkül. Érdekes módon a szovjet időkben az egyetemek filozófiai tanszékein azt tanították, hogy egy ilyen nézőpont szubjektív idealizmus, vagyis olyan irányzat, amely ellentétes az objektív materializmussal - Marx, Engels, Lenin és Einstein filozófiájával. Ugyanakkor a fizika tanszékeken azt tanították a hallgatóknak, hogy a Koppenhágai Iskola fogalmai az egyedüli helyesek (talán azért, mert ehhez az iskolához tartozott a leghíresebb szovjet elméleti fizikus, Lev Landau).
Jelenleg a fizikusok véleménye megoszlik. Egyrészt továbbra is népszerű a kvantummechanika koppenhágai értelmezése. Az ezen értelmezés érvényességének kísérleti tesztelésére tett kísérletek (például Alain Aspe francia fizikus, az úgynevezett Bell-egyenlőtlenség sikeres tesztje) a tudományos közösség szinte egyhangú jóváhagyását élvezi. Másrészt a teoretikusok meglehetősen nyugodtan tárgyalják az alternatív elméleteket, például a párhuzamos világok elméletét. Visszatérve az elektronra, elmondhatjuk, hogy még nem túl nagy az esélye annak, hogy biliárdgolyó maradjon. Ugyanakkor nem nullák. Az 1920-as években a Compton-szórás biliárdmodellje tette lehetővé annak bizonyítását, hogy a fény kvantumokból – fotonokból – áll. A fontos és hasznos eszközökkel (diódák, tranzisztorok) kapcsolatos számos probléma esetén célszerű az elektront biliárdgolyónak tekinteni. Az elektron hullám jellege fontos a finomabb hatások, például a fémek negatív mágneses ellenállásának leírásához.
Az a filozófiai kérdés, hogy van-e gömbelektron a mérési aktusok között, a hétköznapi életben nem nagy jelentőséggel bír. Ez a kérdés azonban továbbra is a modern fizika egyik legsúlyosabb problémája.
Alekszej Kavokin
PhD fizikából és matematikából, professzor a Southamptoni Egyetemen, a Quantum Polaritonics Group vezetője az Orosz Kvantumközpontban, a Mediterrán Fundamentális Fizikai Intézet tudományos igazgatója (Olaszország)
Egy atom teljesen elpusztulhat
Ez igaz. Törni nem épít. Bármi elpusztítható, az atom is, bármilyen fokú teljességgel. Az első közelítésben az atom egy pozitív töltésű atommag, amelyet negatív töltésű elektronok vesznek körül. Az atommal kapcsolatban végrehajtható első pusztító művelet az elektronok letépése róla. Ezt többféleképpen meg lehet tenni: erős lézersugárzást fókuszálhatunk rá, besugározhatjuk gyors elektronokkal vagy más gyors részecskékkel. Az elektronok egy részét elvesztett atomot ionnak nevezzük. Ebben az állapotban találhatók az atomok a Napon, ahol a hőmérséklet olyan magas, hogy gyakorlatilag lehetetlen az atomoknak megőrizni elektronjaikat az ütközések során.
Minél több elektront veszít el egy atom, annál nehezebb leszakítani a többit. A rendszámtól függően egy atomnak több vagy kevesebb elektronja van. A hidrogénatomnak általában egy elektronja van, és gyakran még normál körülmények között is elveszíti azt, és az elektronjait vesztett hidrogén határozza meg a víz pH-értékét. A hélium atomnak két elektronja van, és teljesen ionizált állapotban alfa-részecskéknek nevezik – ilyen részecskéket már inkább atomreaktortól várunk, mint közönséges víztől. A sok elektront tartalmazó atomoknak még több energiára van szükségük az összes elektron eltávolításához, de ennek ellenére bármelyik atomból eltávolíthatja az összes elektront.
Ha az összes elektron leszakad, akkor az atommag megmarad, de az is megsemmisülhet. Az atommag protonokból és neutronokból (általában hadronokból) áll, és bár meglehetősen erősen kapcsolódnak egymáshoz, egy kellően nagy energiájú beeső részecske széttépheti őket. A nehéz atomok, amelyekben túl sok a neutron és a proton, hajlamosak maguktól szétesni, így elég sok energia szabadul fel – ez az atomerőművek alapelve.
De ha az atommag el is törik, az összes elektron leszakad, az eredeti részecskék megmaradnak: neutronok, protonok, elektronok. Természetesen ezeket is meg lehet semmisíteni. Tulajdonképpen ezt csinálja, ami hatalmas energiákra gyorsítja fel a protonokat, ütközéskor teljesen tönkretéve őket. Ugyanakkor rengeteg új részecske születik, amit az ütköztető tanulmányoz. Ugyanez megtehető az elektronokkal és bármely más részecskével.
A megsemmisült részecske energiája nem tűnik el, eloszlik más részecskék között, és ha elegendő van belőlük, lehetetlenné válik az eredeti részecske gyors nyomon követése az új átalakulások tengerében. Minden elpusztítható, nincs kivétel.
Alekszej Akimov
PhD fizikából és matematikából, az Orosz Kvantumközpont "Kvantumszimulátorok" csoportjának vezetője, a Moszkvai Fizikai és Technológiai Intézet oktatója, a Lebegyev Fizikai Intézet munkatársa, a Harvard Egyetem kutatója