В самом деле, автор РТЧ в своих «размышлизмах» зашёл так далеко, что впору вызывать тяжёлую контраргументацию, а именно – данные эксперимента японских учёных по фотографированию атома водорода, о котором стало известно 4 ноября 2010 года. На снимке хорошо видна атомная форма, подтверждающая как дискретность, так и округлость атомов: «Группа учёных и специалистов Токийского университета впервые в мире сфотографировала отдельный атом водорода – самый лёгкий и самый маленький из всех атомов, сообщают информагентства.
Снимок был сделан при помощи одной из новейших технологий – специального сканирующего электронного микроскопа. С помощью этого прибора вместе с атомом водорода был сфотографирован и отдельный атом ванадия.
Диаметр атома водорода составляет одну десятимиллиардную часть метра. Ранее считалось, что сфотографировать его современным оборудованием практически невозможно. Водород является самым распространённым веществом. Его часть во всей Вселенной приблизительно 90%.
По словам учёных, таким же способом можно запечатлеть и другие элементарные частицы. «Теперь мы можем увидеть все атомы, из которых состоит наш мир, – заявил профессор Юити Икухара. – Это прорыв к новым формам производства, когда в будущем можно будет принимать решения на уровне отдельных атомов и молекул» .
Атом водорода, цвета условные
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i21/e213001
Группа ученых из Германии, Греции, Нидерландов, США и Франции получила снимки атома водорода. На этих изображениях, полученных при помощи фотоионизационного микроскопа, видно распределение электронной плотности, которое полностью совпадает с результатами теоретических расчетов. Работа международной группы представлена на страницах Physical Review Letters.
Суть фотоионизационного метода заключается в последовательной ионизации атомов водорода, то есть в отрывании от них электрона за счет электромагнитного облучения. Отделившиеся электроны направляются на чувствительную матрицу через положительно заряженное кольцо, причем положение электрона в момент столкновения с матрицей отражает положение электрона в момент ионизации атома. Заряженное кольцо, отклоняющее электроны в сторону, играет роль линзы и с его помощью изображение увеличивается в миллионы раз.
Этот метод, описанный в 2004 году, уже применялся для получения «фотографий» отдельных молекул, однако физики пошли дальше и использовали фотоионизационный микроскоп для исследования атомов водорода. Так как попадание одного электрона дает всего одну точку, исследователи накопили около 20 тысяч отдельных электронов от разных атомов и составили усредненное изображение электронных оболочек.
В соответствии с законами квантовой механики, электрон в атоме не имеет какого-то определенного положения сам по себе. Лишь при взаимодействии атома с внешней средой электрон с той или иной вероятностью проявляется в некоторой окрестности ядра атома: область, в которой вероятность обнаружения электрона максимальна, называется электронной оболочкой. На новых изображениях видны различия между атомами разных энергетических состояний; ученые смогли наглядно продемонстрировать форму предсказанных квантовой механикой электронных оболочек.
При помощи других приборов, сканирующих туннельных микроскопов, отдельные атомы можно не только увидеть, но и переместить в нужное место. Эта техника около месяца назад позволила инженерам компании IBM нарисовать мультфильм, каждый кадр которого сложен из атомов: подобные художественные эксперименты не имеют какого-то практического эффекта, но демонстрируют принципиальную возможность манипуляций с атомами. В прикладных целях используется уже не поатомная сборка, а химические процессы с самоорганизацией наноструктур или самоограничением роста одноатомных слоев на подложке.
Атом водорода, запечатлев электронные облака. И хотя современные физики с помощью ускорителей могут определять даже форму протона, атом водорода, по-видимому, так и останется самым мелким объектом, изображение которого имеет смысл называть фотографией. «Лента.ру» представляет обзор современных методов фотографирования микромира.
Строго говоря, обычной фотографии в наши дни почти не осталось. Изображения, которые мы по привычке называем фотографиями и можем найти, к примеру, в любом фоторепортаже «Ленты.ру», вообще-то, являются компьютерными моделями. Светочувствительная матрица в специальном приборе (по традиции его продолжают называть «фотоаппаратом») определяет пространственное распределение интенсивности света в нескольких разных спектральных диапазонах, управляющая электроника сохраняет эти данные в цифровом виде, а потом другая электронная схема на основе этих данных отдает команду транзисторам в жидкокристаллическом дисплее. Пленка, бумага, специальные растворы для их обработки - все это стало экзотикой. А если мы вспомним буквальное значение слова, то фотография - это «светопись». Так что говорить о том, что ученым удалось сфотографировать атом, можно лишь с изрядной долей условности.
Больше половины всех астрономических снимков уже давно делают инфракрасные, ультрафиолетовые и рентгеновские телескопы. Электронные микроскопы облучают не светом, а пучком электронов, а атомно-силовые и вовсе сканируют рельеф образца иглой. Есть рентгеновские микроскопы и магнитно-резонансные томографы. Все эти приборы выдают нам точные изображения различных объектов, и несмотря на то что о «светописи» говорить здесь, разумеется, не приходится, мы все же позволим себе именовать такие изображения фотографиями.
Эксперименты физиков по определению формы протона или распределения кварков внутри частиц останутся за кадром; наш рассказ будет ограничен масштабами атомов.
Оптика не стареет
Как выяснилось во второй половине XX века, оптическим микроскопам еще есть куда развиваться. Решающим моментом в биологических и медицинских исследованиях стало появление флуоресцентных красителей и методов, позволяющих избирательно помечать определенные вещества. Это не было «всего лишь новой краской», это был настоящий переворот.
Вопреки расхожему заблуждению, флуоресценция - это вовсе не свечение в темноте (последнее называется люминесценцией). Это явление поглощения квантов определенной энергии (скажем, синего света) с последующим излучением других квантов меньшей энергии и, соответственно, иного света (при поглощении синего испускаться будут зеленые). Если поставить светофильтр, который пропускает только излучаемые красителем кванты и задерживает свет, вызывающий флуоресценцию, можно увидеть темный фон с яркими пятнами красителей, а красители, в свою очередь, могут расцвечивать образец чрезвычайно избирательно.
Например, можно покрасить цитоскелет нервной клетки красным, синапсы выделить зеленым, а ядро - голубым. Можно сделать флуоресцентную метку, которая позволит обнаружить белковые рецепторы на мембране или синтезируемые клеткой в определенных условиях молекулы. Метод иммуногистохимического окрашивания совершил революцию в биологической науке. А когда генные инженеры научились делать трансгенных животных с флуоресцентными белками, этот метод пережил второе рождение: реальностью стали, например, мыши с окрашенными в разные цвета нейронами.
Кроме того, инженеры придумали (и отработали на практике) метод так называемой конфокальной микроскопии. Суть его заключается в том, что микроскоп фокусируется на очень тонкий слой, а специальная диафрагма отсекает создаваемую объектами вне этого слоя засветку. Такой микроскоп может последовательно сканировать образец сверху вниз и получать стопку снимков, которая является готовой основой для трехмерной модели.
Использование лазеров и сложных оптических систем управления лучом позволило решить проблему выгорания красителей и высыхания нежных биологических образцов под ярким светом: луч лазера сканирует образец только тогда, когда это необходимо для съемки. А чтобы не тратить время и силы на осмотр большого препарата через окуляр с узким полем зрения, инженеры предложили автоматическую систему сканирования: на предметный столик современного микроскопа можно положить стекло с образцом, и прибор самостоятельно отснимет масштабную панораму всего образца. При этом в нужных местах он будет наводить на резкость, а затем склеит множество кадров воедино.
В некоторые микроскопы можно посадить живых мышей, крыс или хотя бы мелких беспозвоночных животных. Другие дают небольшое увеличение, зато совмещены с рентгеновским аппаратом. Многие для устранения помех от вибраций монтируются на специальных столах массой в несколько тонн внутри помещений с тщательно контролируемым микроклиматом. Стоимость подобных систем превышает стоимость иных электронных микроскопов, а конкурсы на самый красивый кадр давно стали традицией. Кроме того, продолжается и совершенствование оптики: от поиска лучших сортов стекла и подбора оптимальных комбинаций линз инженеры перешли к способам фокусировки света.
Мы специально перечислили ряд технических подробностей для того, чтобы показать: прогресс в области биологических исследований давно связан с прогрессом в других областях. Если бы не существовало компьютеров, способных автоматически сосчитать число окрашенных клеток на нескольких сотнях фотографий, толку от супермикроскопов было бы немного. А без флуоресцентных красителей все миллионы клеток были бы неотличимы друг от друга, так что проследить за формированием новых или гибелью старых было бы практически невозможно.
По сути, первый микроскоп представлял собой струбцину с закрепленной на ней сферической линзой. Аналогом такого микроскопа может быть простая игральная карта с проделанным в ней отверстием и каплей воды. По некоторым данным подобные устройства применяли золотодобытчики на Колыме уже в прошлом столетии.
За дифракционным пределом
У оптических микроскопов есть принципиальный недостаток. Дело в том, что по форме световых волн невозможно восстановить форму тех предметов, которые оказались намного меньше длины волны: с тем же успехом можно пытаться исследовать тонкую текстуру материала рукой в толстой перчатке для сварочных работ.
Ограничения, создаваемые дифракцией, отчасти удалось преодолеть, причем без нарушения законов физики. Поднырнуть под дифракционный барьер оптическим микроскопам помогают два обстоятельства: то, что при флуоресценции кванты излучаются отдельными молекулами красителя (которые могут довольно далеко отстоять друг от друга), и то, что за счет наложения световых волн можно получить яркое пятно с диаметром, меньшим, чем длина волны.
При наложении друг на друга световые волны способны взаимно друг друга погасить, поэтому параметры освещения образца так, чтобы в яркую область попадал по возможности меньший участок. В сочетании с математическими алгоритмами, которые позволяют, например, убрать двоение изображения, такое направленное освещение дает резкое повышение качества съемки. Становится возможным, к примеру, исследовать в оптический микроскоп внутриклеточные структуры и даже (комбинируя описанный метод с конфокальной микроскопией) получать их трехмерные изображения.
Электронный микроскоп до электронных приборов
Для того чтобы открыть атомы и молекулы, ученым не пришлось их рассматривать - молекулярная теория не нуждалась в том, чтобы видеть объект. А вот микробиология стала возможна только после изобретения микроскопа. Поэтому первое время микроскопы ассоциировались именно с медициной и биологией: физики и химики, изучавшие существенно меньшие объекты, обходились другими средствами. Когда же и им захотелось посмотреть на микромир, дифракционные ограничения стали серьезной проблемой, тем более что описанные выше методы флуоресцентной микроскопии были еще неизвестны. Да и толку от повышения разрешающей способности с 500 до 100 нанометров немного, если объект, который надо рассмотреть, еще меньше!
Зная о том, что электроны могут себя вести и как волна, и как частица, физики из Германии в 1926 году создали электронную линзу. Идея, лежащая в ее основе, была очень простой и понятной любому школьнику: раз электромагнитное поле отклоняет электроны, то с его помощью можно поменять форму пучка этих частиц, растащив их в разные стороны, или, напротив, уменьшить диаметр пучка. Спустя пять лет, в 1931 году Эрнст Руска и Макс Кнолл построили первый в мире электронный микроскоп. В приборе образец сначала просвечивался пучком электронов, а потом электронная линза расширяла прошедший насквозь пучок перед тем, как тот падал на специальный люминесцентный экран. Первый микроскоп давал увеличение всего в 400 раз, но замена света на электроны открыла дорогу к фотографированию с увеличением в сотни тысяч раз: конструкторам пришлось всего лишь преодолеть несколько препятствий технического характера.
Электронный микроскоп позволил рассмотреть устройство клеток в недосягаемом ранее качестве. Но по этому снимку нельзя понять возраст клеток и наличие в них тех или иных белков, а эта информация очень нужна ученым.
Сейчас электронные микроскопы позволяют фотографировать вирусы крупным планом. Существуют разные модификации приборов, позволяющие не только просвечивать тонкие срезы, но и рассматривать их в «отраженном свете» (в отраженных электронах, конечно). Мы не будем подробно рассказывать про все варианты микроскопов, но заметим, что недавно исследователи - они научились восстанавливать изображение по дифракционной картине.
Потрогать, а не рассмотреть
Еще одна революция произошла за счет дальнейшего отхода от принципа «осветить и посмотреть». Атомный силовой микроскоп, равно как и сканирующий туннельный микроскоп, уже ничем на поверхность образцов не светит. Вместо этого по поверхности перемещается особо тонкая игла, которая буквально подпрыгивает даже на неровностях размером с отдельный атом.
Не вдаваясь в детали всех подобных методов, заметим главное: иглу туннельного микроскопа можно не только перемещать вдоль поверхности, но и использовать для перестановки атомов с места на место. Именно таким образом ученые создают надписи, рисунки и даже мультфильмы, в которых нарисованный мальчик играет с атомом. Настоящим атомом ксенона, перетаскиваемым иглой сканирующего туннельного микроскопа.
Туннельным микроскоп называют потому, что он использует эффект протекающего через иглу туннельного тока: электроны проходят через зазор между иглой и поверхностью за счет предсказанного квантовой механикой туннельного эффекта. Для работы такого прибора нужен вакуум.
Намного менее требователен к окружающим условиям атомный силовой микроскоп (АСМ) - он может (с рядом ограничений) работать без откачки воздуха. В определенном смысле АСМ является нанотехнологичным наследником патефона. Игла, закрепленная на тонком и гибком кронштейне-кантилевере (cantilever и есть «кронштейн»), движется вдоль поверхности без подачи на нее напряжения и следует рельефу образца так же, как игла патефона следует вдоль бороздок грампластинки. Изгиб кантилевера заставляет отклоняться закрепленное на нем зеркало, зеркало отклоняет лазерный луч, и это позволяет очень точно определять форму исследуемого образца. Главное только иметь достаточно точную систему перемещения иглы, а также запас игл, которые должны быть идеально острыми. Радиус закругления у кончиков таких игл может не превышать одного нанометра.
АСМ позволяет видеть отдельные атомы и молекулы, однако, как и туннельный микроскоп, не позволяет заглянуть под поверхность образца. Иными словами, ученым приходится выбирать между возможностью видеть атомы и возможностью изучать весь объект целиком. Впрочем, и для оптических микроскопов внутренности изучаемых образцов не всегда доступны, ведь минералы или металлы обычно свет пропускают плохо. Кроме того, с фотографированием атомов все равно возникают сложности - эти объекты предстают простыми шариками, форма электронных облаков на таких снимках не видна.
Синхротронное излучение, возникающее при торможении разогнанных ускорителями заряженных частиц, позволяет изучать окаменевшие останки доисторических животных. Вращая образец под рентгеновскими лучами, мы можем получать трехмерные томограммы - именно так был найден, например, мозг внутри черепа рыб, вымерших 300 миллионов лет назад. Можно обойтись и без вращения, если регистрацию прошедшего излучения фиксацией рассеянных за счет дифракции рентгеновских лучей.
И это еще не все возможности, которые открывает рентгеновское излучение. При облучении им многие материалы флуоресцируют, причем по характеру флуоресценции можно определить химический состав вещества: таким способом ученые окраску древних артефактов, стертые в Средние века труды Архимеда или окраску перьев давно вымерших птиц.
Позируют атомы
На фоне всех тех возможностей, которые предоставляют рентгеновские или оптико-флуоресцентные методы, новый способ фотографирования отдельных атомов уже кажется не таким уж большим прорывом в науке. Суть метода, который позволил получить представленные на этой неделе изображения, такова: с ионизированных атомов срывают электроны и направляют их на специальный детектор. Каждый акт ионизации срывает электрон с определенного положения и дает одну точку на «фотографии». Накопив несколько тысяч таких точек, ученые сформировали картинку, отображающую наиболее вероятные места обнаружения электрона вокруг ядра атома, а это по определению и есть электронное облако.
В заключение скажем, что возможность видеть отдельные атомы с их электронными облаками - это скорее вишенка на торте современной микроскопии. Ученым было важно исследовать структуру материалов, изучать клетки и кристаллы, а обусловленное этим развитие технологий дало возможность дойти до атома водорода. Все, что меньше, - уже сфера интересов специалистов по физике элементарных частиц. А биологам, материаловедам и геологам еще есть куда совершенствовать микроскопы даже с довольно скромным на фоне атомов увеличением. Специалистам по нейрофизиологии, к примеру, давно хочется иметь прибор, способный видеть отдельные клетки внутри живого мозга, а создатели марсоходов продали бы душу за электронный микроскоп, который влезал бы на борт космического аппарата и мог бы работать на Марсе.
Как известно, все материальное во Вселенной состоит из атомов. Атом – это мельчайшая единица материи, которая несет в себе ее свойства. В свою очередь, структура атома складывается из волшебного триединства микрочастиц: протонов, нейтронов и электронов.
При этом каждая из микрочастиц универсальна. То есть, не найти на свете двух разных протонов, нейтронов или электронов. Все они абсолютно друг на друга похожи. И свойства атома будут зависеть только от количественного состава этих микрочастиц в общем строении атома.
Например, структура атома водорода состоит из одного протона и одного электрона. Следующий по сложности, атом гелия состоит из двух протонов, двух нейтронов и двух электронов. Атом лития — из трех протонов, четырех нейтронов и трех электронов и т. д.
Структура атомов (слева направо): водорода, гелия, лития
Атомы соединяются в молекулы, а молекулы — в вещества, минералы и организмы. Молекула ДНК, являющаяся основой всего живого – структура, собранная из тех же трех волшебных кирпичиков мироздания, что и камень, лежащий на дороге. Хотя эта структура и намного более сложная.
Еще более удивительные факты открываются тогда, когда мы пытаемся поближе рассмотреть пропорции и строение атомной системы. Известно, что атом состоит из ядра и электронов, двигающихся вокруг него по траектории, описывающей сферу. То есть это даже нельзя назвать движением в обычном понимании этого слова. Электрон скорее находится везде и сразу в пределах этой сферы, создавая вокруг ядра электронное облако и формируя электромагнитное поле.
Схематические изображения строения атома
Ядро атома состоит из протонов и нейтронов, и в нем сосредоточена почти вся масса системы. Но при этом, само ядро настолько мало, что если увеличить его радиус до масштаба в 1 см, то радиус всей структуры атома достигнет сотни метров. Таким образом, все, что мы воспринимаем как плотную материю, более чем на 99% состоит из одних только энергетических связей между физическими частицами и менее чем 1% — из самих физических форм.
Но что представляют собой эти физические формы? Из чего они состоят, и насколько они материальны? Чтобы ответить на эти вопросы, давайте подробнее рассмотрим структуры протонов, нейтронов и электронов. Итак, мы спускаемся еще на одну ступеньку в глубины микромира – на уровень субатомных частиц.
Из чего состоит электрон
Самая маленькая частица атома – электрон. Электрон обладает массой, но при этом не обладает объемом. В научном представлении электрон не из чего не состоит, а представляет собой бесструктурную точку.
Под микроскопом электрон невозможно увидеть. Он наблюдаем только в виде электронного облака, которое выглядит как размытая сфера вокруг атомного ядра. При этом с точностью, где находится электрон в момент времени, невозможно сказать. Приборы же способны запечатлеть не саму частицу, а только лишь ее энергетический след. Суть электрона не вкладывается в представления о материи. Он скорее подобен некой пустой форме, существующей только в движении и за счет движения.
Никакой структуры в электроне до сих пор не было обнаружено. Он является такой же точечной частицей, как и квант энергии. Фактически, электрон — и есть энергия, однако, это более устойчивая ее форма, нежели та, которая представлена фотонами света.
В настоящий момент электрон считают неделимым. Это понятно, ведь невозможно разделить то, что не имеет объема. Однако в теории уже есть наработки, согласно которым в составе электрона лежит триединство таких квазичастиц как:
- Орбитон – содержит информацию об орбитальном положении электрона;
- Спинон – ответственен за спин или вращательный момент;
- Холон – несет информацию о заряде электрона.
Впрочем, как видим, квазичастицы с материей уже не имеют абсолютно ничего общего, и несут в себе одну только информацию.
Фотографии атомов разных веществ в электронный микроскоп
Интересно, что электрон может поглощать кванты энергии, например, света или тепла. В этом случае атом переходит на новый энергетический уровень, а границы электронного облака расширяются. Бывает и такое, что энергия, поглощаемая электроном настолько велика, что он может выскочить из системы атома, и далее продолжить свое движение как независимая частица. При этом он ведет себя подобно фотону света, то есть, он будто бы перестает быть частицей и начинает проявлять свойства волны. Это было доказано в эксперименте.
Эксперимент Юнга
В ходе эксперимента на экран с двумя прорезанными в нем щелями был направлен поток электронов. Проходя через эти прорези, электроны сталкивались с поверхностью еще одного – проекционного – экрана, оставляя на нем свой след. В результате такой «бомбардировки» электронами на проекционном экране появлялась интерференционная картина, подобная той, которая появилась бы, если бы через две прорези проходили бы волны, но не частицы.
Такой рисунок возникает из-за того, что волна, проходя между двух щелей, делится на две волны. В результате дальнейшего движения волны накладываются друг на друга, и на некоторых участках происходит их взаимное гашение. В результате мы получаем много полос на проекционном экране, вместо одной, как это было бы, если бы электрон вел себя как частица.
Структура ядра атома: протоны и нейтроны
Протоны и нейтроны составляют ядро атома. И притом, что в общем объеме ядро занимает менее 1%, именно в этой структуре сосредоточена почти вся масса системы. А вот на счет структуры протонов и нейтронов физики разделились во мнениях, и на данный момент существует сразу две теории.
- Теория №1 — Стандартная
Стандартная модель говорит о том, что протоны и нейтроны состоят из трех кварков, соединенных между собой облаком глюонов. Кварки являются точечными частицами, так же, как кванты и электроны. А глюоны – это виртуальные частицы, обеспечивающие взаимодействие кварков. Однако в природе так и не было найдено ни кварков, ни глюонов, потому эта модель поддается жестокой критике.
- Теория №2 — Альтернативная
А вот по альтернативной теории единого поля, разработанной Эйнштейном, протон, как и нейтрон, как и любой другая частица физического мира, представляет собой вращающееся со скоростью света электромагнитное поле.
Электромагнитные поля человека и планеты
Каковы же принципы строения атома?
Все в мире – тонкое и плотное, жидкое, твердое и газообразное – это лишь энергетические состояния бесчисленных полей, пронизывающих пространство Вселенной. Чем выше уровень энергии в поле, тем оно тоньше и менее уловимо. Чем ниже энергетический уровень, тем оно более устойчивое и ощутимое. В структуре атома, как и в структуре любой другой единицы Вселенной, лежит взаимодействие таких полей – разных по энергетической плотности. Выходит, а материя – только иллюзия ума.
Однако сфотографировать сам атом, а не какую-либо его часть представлялось крайне трудной задачей даже при использовании самых высокотехнологичных устройств.
Дело в том, что согласно законам квантовой механики , невозможно одинаково точно определить все свойства субатомной частицы. Этот раздел теоретической физики построен по принципу неопределённости Гейзенберга , который гласит, что невозможно одинаково точно измерить координаты и импульс частицы — точные измерения одного свойства непременно изменят данные о другом.
Поэтому, вместо того чтобы определять местонахождение (координаты частицы), квантовая теория предлагает измерить так называемую волновую функцию .
Волновая функция работает почти так же, как и звуковая волна. Различие лишь в том, что математическое описание звуковой волны определяет движение молекул в воздухе в определённом месте, а волновая функция описывает вероятность появления частицы в том или ином месте по уравнению Шрёдингера .
Измерить волновую функцию также непросто (прямые наблюдения приводят к её коллапсу), но физики-теоретики могут примерно предсказать её значения.
Экспериментально измерить все параметры волновой функции можно только в том случае, если собрать её из отдельных разрушающих измерений, проведённых на полностью идентичных системах атомов или молекул.
Физики из голландского исследовательского института AMOLF представили новый метод, не требующий никаких "перестроек", и опубликовали результаты своей работы в журнале Physical Review Letters. Их методика построена на гипотезе 1981 года трёх советских физиков-теоретиков, а также на более поздних исследованиях.
В ходе эксперимента команда учёных направила два лазерных луча на атомы водорода, помещённые в специальную камеру. В результате такого воздействия электроны покинули свои орбиты с той скоростью и в том направлении, которые определялись их волновыми функциями. Сильное электрическое поле в камере, где находились атомы водорода, направило электроны на определённые части планарного (плоского) детектора.
Положение электронов, попадающих на детектор, определялось их начальной скоростью, а не позицией в камере. Таким образом, распределение электронов на детекторе рассказало учёным о волновой функции этих частиц, которая была у них, когда они покинули орбиту у ядра атома водорода.
Движения электронов отображались на фосфоресцентном экране в виде тёмных и светлых колец, которые учёные сфотографировали цифровой камерой с высоким разрешением.
"Мы очень довольны нашими результатами. Квантовая механика так мало имеет дело с повседневной жизнью людей, что вряд ли кто-то мог подумать о получении реального фотоснимка квантовых взаимодействий в атоме", — говорит ведущий автор исследования Анета Стодолна (Aneta Stodolna). Также она утверждает, что разработанная методика может иметь и практическое применение, к примеру, для создания проводников толщиной в атом, развития технологии молекулярных проводов, что значительно усовершенствует современные электронные приборы.
"Примечательно, что эксперимент был проведён именно на водороде — одновременно простейшем и самом распространённом веществе в нашей Вселенной. Нужно будет понять, можно ли применить эту методику для более сложных атомов. Если да, то это большой прорыв, который позволит развить не только электронику, но и нанотехнологии", — говорит Джеф Ландин (Jeff Lundeen) из университета Оттавы, который не принимал участия в исследовании.
Впрочем, сами учёные, проводившие эксперимент, не задумываются о практической стороне вопроса. Они считают, что их открытие в первую очередь относится к фундаментальной науке, которая поможет передать больше знаний будущим поколениям физиков.
ПостНаука развенчивает научные мифы и объясняет общепринятые заблуждения. Мы попросили наших экспертов прокомментировать популярные представления о строении и свойствах атомов.
Модель Резерфорда соответствует современным представлениям о строении атома
Это правда, но отчасти. Планетарная модель атома, заключающаяся в том, что легкие электроны вращаются вокруг тяжелого ядра, подобно планетам вокруг Солнца, была предложена Эрнестом Резерфордом в 1911 году, после того как в его лаборатории было открыто само ядро. Бомбардируя листок металлической фольги альфа-частицами, ученые обнаружили, что подавляющее большинство частиц проходит через фольгу насквозь, подобно свету сквозь стекло. Однако незначительная их часть - примерно одна из 8000 - отражалась обратно к источнику. Резерфорд объяснил эти результаты тем, что масса распределена в веществе не равномерно, а сконцентрирована в «сгустки» - атомные ядра, которые несут положительный заряд, отталкивающий положительно заряженные альфа-частицы. Легкие отрицательно заряженные электроны избегают «падения» на ядро, вращаясь вокруг них, так что центробежная сила уравновешивает электростатическое притяжение.
Говорят, что, изобретя эту модель, Резерфорд воскликнул: «Теперь я знаю, как выглядит атом!» Однако вскоре, вслед за воодушевлением, Резерфорд осознал и ущербность своей идеи. Вращаясь вокруг ядра, электрон создает вокруг себя переменные электрическое и магнитное поля. Эти поля распространяются со скоростью света в виде электромагнитной волны. А такая волна несет с собой энергию! Получается, что, вращаясь вокруг ядра, электрон будет непрерывно терять энергию и в течение миллиардных долей секунды упадет на ядро. (Может возникнуть вопрос, нельзя ли применить тот же самый аргумент к планетам Солнечной системы: почему же они на Солнце не падают? Ответ: гравитационные волны, если они вообще существуют, гораздо слабее электромагнитных, а энергия, запасенная в планетах, намного больше, чем в электронах, поэтому «запас хода» у планет на много порядков дольше.)
Разрешить противоречие Резерфорд поручил своему сотруднику, молодому теоретику Нильсу Бору. Поработав два года, Бор нашел частичное решение. Он постулировал, что среди всевозможных орбит электрона существуют такие, на которых электрон может находиться в течение долгого времени не излучая. Электрон может переходить с одной стационарной орбиты на другую, при этом поглощая или излучая квант электромагнитного поля с энергией, равной разности энергий двух орбит. Пользуясь начальными принципами квантовой физики, которые уже были открыты к тому времени, Бор сумел вычислить параметры стационарных орбит и, соответственно, энергии квантов излучения, соответствующих переходам. Эти энергии к тому моменту были измерены с помощью методов спектроскопии, и теоретические предсказания Бора почти идеально совпали с результатами этих измерений!
Несмотря на этот триумфальный результат, теория Бора едва ли вносила ясность в вопрос физики атома, ведь она была полуэмпирической: постулируя наличие стационарных орбит, она никак не объясняла их физическую природу. Глубинное разъяснение вопроса потребовало еще не менее двух десятков лет, в течение которых была разработана квантовая механика как систематическая, цельная физическая теория.
В рамках этой теории электрон подчиняется принципу неопределенности и описывается не материальной точкой, подобно планете, а волновой функцией, «размазанной» по всей орбите. В каждый момент времени он находится в суперпозиции состояний, соответствующих всем точкам орбиты. Поскольку плотность распределения массы по пространству, определяемая волновой функцией, не зависит от времени, переменного электромагнитного поля вокруг электрона не создается; нет и потерь энергии.
Таким образом, планетарная модель дает верное наглядное представление о том, как выглядит атом, - Резерфорд был прав в своем восклицании. Однако она не дает объяснения того, как устроен атом: это устройство много сложнее и глубже, чем-то, что смоделировал Резерфорд.
В заключение отмечу, что «миф» о планетарной модели в самом центре интеллектуальной драмы, породившей перелом в физике сто лет назад и в значительной мере сформировавшей эту науку в ее современном виде.
Александр Львовский
PhD in Physics, профессор физического факультета университета Калгари, руководитель научной группы, член научного совета Российского квантового центра, редактор научного журнала Optics Express
Отдельными атомами можно управлять
Это правда. Конечно, можно, почему нет? Управлять можно разными параметрами атома, а их у атома достаточно много: у него есть положение в пространстве, скорость, а есть и внутренние степени свободы. Внутренние степени свободы определяют магнитные и электрические свойства атома, а также готовность испускать свет или радиоволны. В зависимости от внутреннего состояния атома он может быть более или менее активен в столкновениях и химических реакциях, менять свойства окружающих атомов, от его внутреннего состояния зависит и его отклик на внешние поля. В медицине, например, используют так называемые поляризованные газы для построения томограмм легких - в таких газах все атомы находятся в одном и том же внутреннем состоянии, что позволяет «видеть» по их отклику заполняемый ими объем.
Управлять скоростью атома или его положением не так уж сложно, гораздо сложнее выделить для контроля ровно один атом. Но и это сделать можно. Один из подходов к такому выделению атома реализуется с помощью лазерного охлаждения. Для контроля всегда удобно иметь известное начальное положение, совсем хорошо, если атом при этом еще и не движется. Лазерное охлаждение позволяет достичь и того и другого, локализовать атомы в пространстве и охладить их, то есть свести их скорость практически к нулю. Принцип лазерного охлаждения тот же, что у реактивного самолета, только последний испускает струю газа, чтобы разогнаться, а в первом случае атом, наоборот, поглощает поток фотонов (частиц света) и тормозится. Современные методы лазерного охлаждения позволяют охладить миллионы атомов до скоростей пешехода и ниже. Дальше в игру вступают различного рода пассивные ловушки, например дипольная ловушка. Если для лазерного охлаждения используется световое поле, которое атом активно поглощает, то для его удержания в дипольной ловушке частоту света подбирают вдали от всякого поглощения. Оказывается, что сильно сфокусированный лазерный свет способен поляризовать мелкие частицы и пылинки и втягивать в область наибольшей интенсивности света. Атом не является исключением и также втягивается в область самого сильного поля. Оказывается, что если сфокусировать свет максимально сильно, то в такой ловушке может удержаться только ровно один атом. Дело в том, что если в ловушку попадает второй, то он оказывается настолько сильно прижат к первому, что они образуют молекулу и при этом выпадают из ловушки. Впрочем, такая острая фокусировка является не единственным способом выделения единственного атома, можно использовать и свойства взаимодействия атома с резонатором для заряженных атомов, ионов, можно использовать электрические поля для захвата и удержания ровно одного иона и так далее. Можно и вовсе возбудить один атом в достаточно ограниченном ансамбле атомов в очень высоко возбужденное, так называемое ридберговское состояние. Атом, раз возбудившись в ридберговское состояние, блокирует возможность возбуждения соседей в такое же состояние и, если объем с атомами достаточно мал, будет единственным.
Так или иначе, после того как атом пойман, им можно управлять. Внутреннее состояние можно менять световыми и радиочастотными полями, используя нужные частоты и поляризацию электромагнитной волны. Можно перевести атом в любое наперед заданное состояние, будь то определенное состояние - уровень или их суперпозиция. Вопрос лишь наличия нужных частот и возможности сделать достаточно короткие и мощные управляющие импульсы. В последнее время появилась возможность более эффективно управлять атомами, удерживая их в окрестности наноструктур, что позволяет не только «разговаривать» с атомом более эффективно, но и использовать сам атом - точнее, его внутренние состояния - для управления потоками света, а в будущем, возможно, и для целей вычислений.
Управление позицией атома, удерживаемого ловушкой, совсем уже простая задача - достаточно подвинуть саму ловушку. В случае дипольной ловушки подвинуть пучок света, что можно сделать, например, подвижными зеркалами для лазерного шоу. Скорость атому можно придать опять же реактивным образом - заставить поглотить свет, а ион легко можно разогнать электрическим полями, так же как это делалось в электронно-лучевых трубках. Так что на сегодня принципиально сделать с атомом можно все что угодно, вопрос лишь времени и приложенных усилий.
Алексей Акимов
Атом неделим
Отчасти правда, отчасти нет. Википедия дает нам следующее определение: «Атом (от др.-греч. ἄτομος - неделимый, неразрезаемый) - частица вещества микроскопических размеров и массы, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Атом состоит из атомного ядра и электронов».
Сейчас любой образованный человек представляет атом в модели Резерфорда, коротко представленной последним предложением этого общепринятого определения. Казалось бы, ответ на поставленный вопрос/миф очевиден: атом - составной и сложный объект. Однако ситуация не столь однозначна. Древние философы вкладывали в определение атома скорее смысл существования элементарной и неделимой частицы материи и вряд ли связывали проблему со структурой элементов таблицы Менделеева. В атоме Резерфорда мы такую частицу действительно находим - это электрон.
Электрон в соответствии с современными представлениями, укладывающимися в так называемую
«>Стандартную модель, представляет собой точку, состояние которой описывается положением и скоростью. Важно, что одновременное задание этих кинематических характеристик невозможно вследствие принципа неопределенности Гейзенберга, но, рассматривая только одну из них, например координату, можно определить ее со сколь угодно высокой точностью.
Можно ли тогда, используя современную экспериментальную технику, попытаться локализовать электрон на масштабе, существенно меньшем атомного размера (~0,5 *10-8 см), и проверить его точечность? Оказывается, что при попытке локализовать электрон на масштабе так называемой комптоновской длины волны - примерно в 137 раз меньше размера атома водорода - электрон будет взаимодействовать со своей антиматерией и система станет неустойчивой.
Точечность и неделимость электрона и других элементарных частиц материи является ключевым элементом принципа близкодействия в теории поля и присутствует во всех фундаментальных уравнениях, описывающих природу. Таким образом, древние философы были не так далеки от истины, предполагая, что неделимые частицы материи существуют.
Дмитрий Куприянов
доктор физико-математических наук, профессор физики Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, зав. кафедрой Теоретической физики СПбГПУ
Науке это пока неизвестно. Планетарная модель атома, предложенная Резерфордом, предполагала, что электроны вращаются вокруг атомного ядра, подобно планетам, вращающимся вокруг Солнца. При этом естественно было предположить, что электроны - это твердые шарообразные частицы. Классическая модель Резерфорда была внутренне противоречивой. Со всей очевидностью движущиеся ускоренно заряженные частицы (электроны) должны были бы терять энергию за счет электромагнитного излучения и в конце концов падать на ядра атомов.
Нильс Бор предложил запретить этот процесс и ввести определенные требования к радиусам орбит, по которым движутся электроны. Феноменологическая модель Бора уступила место квантовой модели атома, разработанной Гейзенбергом, и квантовой же, но более наглядной модели атома, предложенной Шрёдингером. В шрёдингеровской модели электроны - это уже не мячики, летающие по орбите, а стоячие волны, которые, как облака, нависают над атомным ядром. Форма этих «облаков» описывалась введенной Шрёдингером волновой функцией.
Сразу же возник вопрос: в чем физический смысл волновой функции? Ответ предложил Макс Борн: квадрат модуля волновой функции - это вероятность найти электрон в данной точке пространства. И вот тут начались сложности. Встал вопрос: а что это значит - найти электрон в данной точке пространства? Не следует ли понимать утверждение Борна как признание, что электрон - это маленький шарик, который летает по некоторой траектории и который можно поймать в определенной точке этой траектории с некоторой вероятностью?
Именно такой точки зрения придерживались Шрёдингер и примкнувший к нему в этом вопросе Альберт Эйнштейн. Им возражали физики Копенгагенской школы - Нильс Бор и Вернер Гейзенберг, которые утверждали, что между актами измерения электрон просто не существует, а значит, говорить о траектории его движения не имеет смысла. Дискуссия Бора и Эйнштейна об интерпретации квантовой механики вошла в историю. Победителем оказался вроде бы Бор: ему удалось, хотя и не очень внятно, опровергнуть все парадоксы, сформулированные Эйнштейном, и даже знаменитый парадокс «кота Шрёдингера», сформулированный Шрёдингером в 1935 году. В течение нескольких десятилетий большинство физиков соглашалось с Бором в том, что материя - это не объективная реальность, данная нам в ощущениях, как учил Карл Маркс, а нечто, возникающее только в момент наблюдения и не существующее без наблюдателя. Интересно, что в советское время кафедры философии в вузах учили, что такая точка зрения - это субъективный идеализм, то есть течение, идущее вразрез с объективным материализмом - философией Маркса, Энгельса, Ленина и Эйнштейна. В то же время на кафедрах физики студентов учили, что концепции Копенгагенской школы являются единственно правильными (возможно, потому, что к этой школе принадлежал самый известный советский физик-теоретик - Лев Ландау).
В настоящий момент мнения физиков разделились. С одной стороны, Копенгагенская интерпретация квантовой механики продолжает пользоваться популярностью. Попытки экспериментальной проверки справедливости этой интерпретации (например, успешная проверка так называемого неравенства Белла французским физиком Аленом Аспе) пользуются почти единодушным одобрением научной общественности. С другой стороны, теоретики совершенно спокойно обсуждают альтернативные теории, например теорию параллельных миров. Возвращаясь к электрону, можно сказать, что его шансы остаться бильярдным шаром пока не очень велики. В то же время они отличны от нуля. В 20-е годы XX века именно бильярдная модель комптоновского рассеяния позволила доказать, что свет состоит из квантов - фотонов. Во многих задачах, имеющих отношение к важным и полезным приборам (диодам, транзисторам), электрон удобно считать бильярдным шариком. Волновая природа электрона важна для описания более тонких эффектов, например отрицательного магнитосопротивления металлов.
Философский вопрос о том, существует ли шарик-электрон между актами измерения, в обычной жизни не имеет большого значения. Однако этот вопрос продолжает оставаться одной из наиболее серьезных проблем современной физики.
Алексей Кавокин
кандидат физико-математических наук, профессор Университета Саутгемптона, руководитель группы квантовой поляритоники Российского квантового центра, научный директор Средиземноморского института фундаментальной физики (Италия)
Атом можно полностью разрушить
Это правда. Ломать не строить. Разрушить можно все что угодно, в том числе и атом, с какой угодно степенью полноты. Атом в первом приближении представляет собой положительно заряженное ядро, окруженное отрицательно заряженными электронами. Первое разрушительное действие, которое можно совершить по отношению к атому, - оторвать от него электроны. Это можно сделать по-разному: можно сфокусировать на нем мощное лазерное излучение, можно облучить быстрыми электронами или другими быстрыми частицами. Атом, потерявший часть своих электронов, называется ионом. Именно в таком состоянии атомы пребывают на Солнце, где температуры настолько высоки, что сохранить свои электроны в столкновениях атомам практически не удается.
Чем больше электронов потерял атом, тем труднее оторвать остальные. В зависимости от атомного номера атом обладает большим или меньшим числом электронов. У атома водорода электрон вообще один, и он частенько теряет его даже в обычных условиях, и именно водород, потерявший свои электроны, определяет pH воды. Атом гелия имеет два электрона, и в полностью ионизованном состоянии носит название альфа-частицы - такие частицы мы уже ожидаем скорее от ядерного реактора, чем от обычной воды. Атомы, содержащие много электронов, требуют еще больше энергии для отрыва всех электронов, но тем не менее оторвать все электроны можно у любого атома.
Если все электроны оторваны, то остается ядро, но и его можно разрушить. Ядро состоит из протонов и нейтронов (обобщенно адронов), и, хотя они довольно сильно связаны, налетающая частица достаточно большой энергии может их разорвать. Тяжелые атомы, в которых нейтронов и протонов слишком много, имеют тенденцию разваливаться сами, выделяя довольно большую энергию - на этом принципе и основаны ядерные электростанции.
Но ведь даже если разбить ядро, оторвать все электроны, остаются исходные частицы: нейтроны, протоны, электроны. Их, конечно же, тоже можно уничтожить. Собственно, этим и занимается , который разгоняет протоны до огромных энергий, полностью разрушая их в столкновениях. При этом рождается множество новых частиц, которые и изучает коллайдер. Так же можно поступить и с электронами, и с любыми другими частицами.
Энергия разрушенной частицы не исчезает, она распределяется между другими частицами, и если их достаточно много, то быстро проследить исходную частицу в море новых превращений становится невозможно. Все можно разрушить, исключений нет.
Алексей Акимов
кандидат физико-математических наук, руководитель группы «Квантовые симуляторы» Российского квантового центра, преподаватель МФТИ, сотрудник ФИАН, исследователь в Harvard University