V skutočnosti autor RTCh vo svojich „úvahách“ zašiel tak ďaleko, že vyvolal ťažké protiargumenty, konkrétne údaje experimentu japonských vedcov o fotografovaní atómu vodíka, ktorý sa stal známym 4. novembra 2010. Obrázok jasne ukazuje tvar atómu, čo potvrdzuje diskrétnosť aj guľatosť atómov: „Skupina vedcov a špecialistov z Tokijskej univerzity prvýkrát na svete odfotografovala jediný atóm vodíka – najľahší a najmenší zo všetkých atómov, podľa do tlačových agentúr.
Snímka bola urobená pomocou jednej z najnovších technológií – špeciálneho rastrovacieho elektrónového mikroskopu. Pomocou tohto zariadenia sa podarilo odfotografovať spolu s atómom vodíka jediný atóm vanádu.
Priemer atómu vodíka je jedna desaťmiliardtina metra. Predtým sa verilo, že je takmer nemožné odfotografovať ho moderným vybavením. Vodík je najrozšírenejšia látka. Jeho podiel v celom vesmíre je približne 90%.
Podľa vedcov sa rovnakým spôsobom dajú zachytiť aj ďalšie elementárne častice. "Teraz môžeme vidieť všetky atómy, ktoré tvoria náš svet," povedal profesor Yuichi Ikuhara. "Ide o prielom k novým formám výroby, keď sa v budúcnosti bude dať rozhodovať na úrovni jednotlivých atómov a molekúl."
Atóm vodíka, konvenčné farby
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i21/e213001
Skupina vedcov z Nemecka, Grécka, Holandska, Spojených štátov a Francúzska odfotila atóm vodíka. Tieto obrázky získané pomocou fotoionizačného mikroskopu ukazujú distribúciu elektrónovej hustoty, ktorá sa úplne zhoduje s výsledkami teoretických výpočtov. Práca medzinárodnej skupiny je prezentovaná na stránkach Physical Review Letters.
Podstata metódy fotoionizácie spočíva v sekvenčnej ionizácii atómov vodíka, to znamená v oddelení elektrónu od nich v dôsledku elektromagnetického ožiarenia. Oddelené elektróny sú nasmerované do citlivej matrice cez kladne nabitý kruh a poloha elektrónu v okamihu zrážky s matricou odráža polohu elektrónu v okamihu ionizácie atómu. Nabitý prstenec, ktorý vychyľuje elektróny do strany, funguje ako šošovka a s jej pomocou sa obraz zväčší miliónkrát.
Táto metóda opísaná v roku 2004 sa už používala na „fotografovanie“ jednotlivých molekúl, no fyzici zašli ďalej a na štúdium atómov vodíka použili fotoionizačný mikroskop. Keďže dopad jedného elektrónu dáva iba jeden bod, výskumníci nazhromaždili asi 20 tisíc jednotlivých elektrónov z rôznych atómov a zostavili priemerný obraz elektrónových obalov.
Podľa zákonov kvantovej mechaniky elektrón v atóme sám o sebe nemá žiadnu definitívnu polohu. Iba pri interakcii atómu s vonkajším prostredím sa elektrón s jednou alebo druhou pravdepodobnosťou prejaví v určitej blízkosti atómového jadra: oblasť, v ktorej je pravdepodobnosť detekcie elektrónu maximálna, sa nazýva elektrónový obal. Nové obrázky ukazujú rozdiely medzi atómami rôznych energetických stavov; vedci dokázali vizuálne demonštrovať tvar elektrónových obalov predpovedaný kvantovou mechanikou.
Pomocou iných prístrojov, skenovacích tunelových mikroskopov, možno jednotlivé atómy nielen vidieť, ale aj presunúť na požadované miesto. Asi pred mesiacom táto technika umožnila inžinierom IBM nakresliť karikatúru, ktorej každý rám pozostáva z atómov: takéto umelecké experimenty nemajú žiadny praktický efekt, ale demonštrujú zásadnú možnosť manipulácie s atómami. Na aplikačné účely sa už nepoužíva atómová zostava, ale chemické procesy so samoorganizáciou nanoštruktúr alebo samoobmedzovaním rastu monatomických vrstiev na substráte.
Atóm vodíka zachytávajúci elektrónové oblaky. A hoci moderní fyzici pomocou urýchľovačov dokážu dokonca určiť tvar protónu, atóm vodíka zrejme zostane najmenším objektom, ktorého obraz má zmysel nazývať fotografiou. „Lenta.ru“ predstavuje prehľad moderných metód fotografovania mikrosveta.
Presne povedané, bežná fotografia je v dnešnej dobe takmer preč. Obrázky, ktoré bežne nazývame fotografiami a môžeme ich nájsť napríklad v akejkoľvek fotoreportáži „Lenta.ru“, sú v skutočnosti počítačové modely. Svetlocitlivá matica v špeciálnom zariadení (tradične sa jej stále hovorí „kamera“) určuje priestorové rozloženie intenzity svetla v niekoľkých rôznych spektrálnych rozsahoch, riadiaca elektronika tieto údaje ukladá v digitálnej forme a následne ďalší elektronický obvod na báze tieto údaje dávajú príkaz tranzistorom na displeji z tekutých kryštálov ... Film, papier, špeciálne riešenia na ich spracovanie - to všetko sa stalo exotickým. A ak si zapamätáme doslovný význam slova, tak fotografia je „maľovanie svetlom“. Čo teda povedať o tom, čo sa vedcom podarilo fotografovať atóm, je to možné len s dostatočnou dávkou konvencie.
Viac ako polovica všetkých astronomických snímok bola už dlho zhotovená infračervenými, ultrafialovými a röntgenovými ďalekohľadmi. Elektrónové mikroskopy nie sú ožarované svetlom, ale lúčom elektrónov a mikroskopy s atómovou silou skenujú reliéf vzorky ihlou. Existujú röntgenové mikroskopy a prístroje na zobrazovanie magnetickou rezonanciou. Všetky tieto prístroje nám poskytujú presné obrazy rôznych predmetov a aj napriek tomu, že tu o „maľovaní svetlom“ netreba hovoriť, samozrejme, stále si dovolíme nazvať takéto obrazy fotografiami.
Experimenty fyzikov na určenie tvaru protónu alebo distribúcie kvarkov v časticiach zostanú v zákulisí; náš príbeh bude obmedzený na rozsah atómov.
Optika nikdy nestarne
Ako sa ukázalo v druhej polovici 20. storočia, optické mikroskopy majú stále čo vyvíjať. Určujúcim momentom v biologickom a lekárskom výskume bol objavenie sa fluorescenčných farbív a metód selektívneho označovania určitých látok. Nebol to len nový náter, bola to skutočná revolúcia.
Na rozdiel od všeobecného presvedčenia, fluorescencia vôbec nie je žiara v tme (druhá sa nazýva luminiscencia). Ide o fenomén absorpcie kvánt určitej energie (povedzme modrého svetla), po ktorom nasleduje emisia iných kvánt s nižšou energiou a podľa toho aj iného svetla (keď sa absorbuje modrá, vyžarujú sa zelené). Ak vložíte filter, ktorý prepustí iba kvantá emitované farbivom a zachytí svetlo, ktoré spôsobuje fluorescenciu, môžete vidieť tmavé pozadie so svetlými škvrnami farbív a farbivá zase môžu extrémne zafarbiť vzorku. selektívne.
Môžete napríklad vyfarbiť cytoskelet nervovej bunky červenou farbou, zvýrazniť synapsie zelenou a jadro modrou farbou. Môžete vytvoriť fluorescenčnú značku, ktorá vám za určitých podmienok umožní detekovať proteínové receptory na membráne alebo molekuly syntetizované bunkou. Imunohistochemické farbenie spôsobilo revolúciu v biologickej vede. A keď sa genetickí inžinieri naučili vyrábať transgénne zvieratá pomocou fluorescenčných proteínov, táto metóda zažila znovuzrodenie: napríklad myši s neurónmi pomaľovanými rôznymi farbami sa stali realitou.
Okrem toho inžinieri vymysleli (a v praxi vypracovali) metódu takzvanej konfokálnej mikroskopie. Jeho podstata spočíva v tom, že mikroskop zaostrí na veľmi tenkú vrstvu a špeciálna clona odreže osvetlenie vytvorené objektmi mimo tejto vrstvy. Takýto mikroskop dokáže sekvenčne skenovať vzorku zhora nadol a prijímať stoh obrázkov, čo je hotový základ pre trojrozmerný model.
Použitie laserov a sofistikovaných systémov riadenia optického lúča vyriešilo problém vyhorenia farbiva a sušenia jemných biologických vzoriek pod jasným svetlom: laserový lúč skenuje vzorku len vtedy, keď je to potrebné na streľbu. A aby ste nestrácali čas a námahu skúmaním veľkého preparátu cez okulár s úzkym zorným poľom, inžinieri navrhli automatický skenovací systém: na stolík moderného mikroskopu môžete položiť sklo s preparátom. zariadenie nezávisle nasníma veľkoplošnú panorámu celého preparátu. Zároveň na správnych miestach zaostrí a potom zlepí veľa rámov dohromady.
Do niektorých mikroskopov sa zmestia živé myši, potkany alebo aspoň malé bezstavovce. Iné dávajú mierne zvýšenie, ale sú kombinované s röntgenovým prístrojom. Mnohé sú namontované na špeciálnych stoloch s hmotnosťou niekoľkých ton, aby sa eliminovalo rušenie vibráciami, v interiéri so starostlivo kontrolovanou mikroklímou. Náklady na takéto systémy prevyšujú náklady na iné elektrónové mikroskopy a súťaže o najkrajší rám sa už dlho stali tradíciou. Okrem toho pokračuje zdokonaľovanie optiky: od hľadania najlepších typov skiel a výberu najlepších kombinácií šošoviek inžinieri prešli k metódam zaostrovania svetla.
Konkrétne sme uviedli množstvo technických detailov, aby sme ukázali, že pokrok v biologickom výskume je už dlho spojený s pokrokom v iných oblastiach. Ak by neexistovali počítače schopné automaticky spočítať počet zafarbených buniek na niekoľkých stovkách fotografií, supermikroskopy by boli málo použiteľné. A bez fluorescenčných farbív by boli všetky milióny buniek od seba na nerozoznanie, takže vystopovať vznik nových alebo zánik starých by bolo takmer nemožné.
V skutočnosti bol prvým mikroskopom svorka s pripojenou sférickou šošovkou. Analógom takého mikroskopu môže byť jednoduchá hracia karta s otvorom v nej a kvapkou vody. Podľa niektorých správ takéto zariadenia používali zlatokopi na Kolyme už v minulom storočí.
Za hranicou difrakcie
Optické mikroskopy majú zásadnú nevýhodu. Faktom je, že z tvaru svetelných vĺn je nemožné obnoviť tvar tých predmetov, ktoré sa ukázali byť oveľa menšie ako vlnová dĺžka: rovnako dobre sa môžete pokúsiť preskúmať jemnú štruktúru materiálu rukou. hrubá rukavica na zváranie.
Obmedzenia spôsobené difrakciou boli čiastočne prekonané a bez porušenia fyzikálnych zákonov. Dve okolnosti pomáhajú optickým mikroskopom ponoriť sa pod difrakčnú bariéru: skutočnosť, že počas fluorescencie sú kvantá emitované jednotlivými molekulami farbiva (ktoré môžu byť od seba dosť vzdialené), a skutočnosť, že v dôsledku superpozície svetelných vĺn je možné získať jasný bod s priemerom menším ako vlnová dĺžka.
Pri vzájomnom prekrytí sú svetelné vlny schopné vzájomne sa uhasiť, preto parametre osvetlenia vzorky tak, aby do svetlej oblasti spadala čo najmenšia plocha. V kombinácii s matematickými algoritmami, ktoré umožňujú napríklad odstrániť duchov v obraze, takéto smerové osvetlenie výrazne zvyšuje kvalitu snímania. Je možné napríklad skúmať intracelulárne štruktúry optickým mikroskopom a dokonca (kombináciou opísanej metódy s konfokálnou mikroskopiou) získať ich trojrozmerné obrazy.
Elektrónový mikroskop k elektronickým zariadeniam
Aby vedci objavili atómy a molekuly, nemuseli sa na ne pozerať – molekulárna teória nepotrebovala vidieť objekt. Ale mikrobiológia bola možná až po vynáleze mikroskopu. Preto sa mikroskopy spočiatku spájali práve s medicínou a biológiou: fyzici a chemici, ktorí študovali oveľa menšie objekty, ovládali inými prostriedkami. Keď sa chceli tiež pozrieť na mikrokozmos, difrakčné obmedzenia sa stali vážnym problémom, najmä preto, že metódy fluorescenčnej mikroskopie opísané vyššie boli stále neznáme. A nemá zmysel zvyšovať rozlíšenie z 500 na 100 nanometrov, ak je skúmaný objekt ešte menší!
S vedomím, že elektróny sa môžu správať ako vlna aj ako častica, fyzici z Nemecka v roku 1926 vytvorili elektronickú šošovku. Myšlienka, z ktorej vychádza, bola veľmi jednoduchá a zrozumiteľná pre každého školáka: keďže elektromagnetické pole vychyľuje elektróny, dá sa pomocou neho zmeniť tvar lúča týchto častíc ich odtiahnutím, alebo naopak zmenšiť priemer lúča. . O päť rokov neskôr, v roku 1931, Ernst Ruska a Max Knoll zostrojili prvý elektrónový mikroskop na svete. V zariadení bola vzorka najskôr osvetlená lúčom elektrónov a potom elektrónová šošovka rozšírila prenášaný lúč predtým, ako dopadol na špeciálnu luminiscenčnú obrazovku. Prvý mikroskop dal zväčšenie len 400-krát, no nahradenie svetla elektrónmi otvorilo cestu k fotografii so státisícovým zväčšením: konštruktéri museli prekonať len niekoľko technických prekážok.
Elektrónový mikroskop umožnil skúmať štruktúru buniek v dovtedy nedosiahnuteľnej kvalite. Ale z tohto obrázku nie je možné pochopiť vek buniek a prítomnosť určitých bielkovín v nich a tieto informácie sú pre vedcov veľmi potrebné.
Elektrónové mikroskopy teraz umožňujú fotografovanie vírusov zblízka. Existujú rôzne modifikácie zariadení, ktoré umožňujú nielen vidieť cez tenké rezy, ale ich aj prezerať v "odrazenom svetle" (samozrejme v odrazených elektrónoch). Nebudeme hovoriť podrobne o všetkých verziách mikroskopov, ale všimnite si, že nedávno sa vedci naučili, ako rekonštruovať obraz z difrakčného vzoru.
Dotýkať sa, neuvažovať
Ďalšia revolúcia prišla z ďalšieho odklonu od princípu „svetlo a vidieť“. Mikroskop atómovej sily, rovnako ako rastrovací tunelovací mikroskop, už nesvieti na povrch vzoriek. Namiesto toho sa po povrchu pohybuje obzvlášť tenká ihla, ktorá doslova poskakuje aj po nerovnostiach veľkosti jednotlivého atómu.
Bez toho, aby sme zachádzali do podrobností o všetkých takýchto metódach, poznamenávame hlavnú vec: hrot tunelového mikroskopu sa môže nielen pohybovať po povrchu, ale môže sa použiť aj na preusporiadanie atómov z miesta na miesto. Vedci takto vytvárajú nápisy, kresby a dokonca aj karikatúry, v ktorých sa pomaľovaný chlapec hrá s atómom. Skutočný atóm xenónu, ťahaný hrotom skenovacieho tunelového mikroskopu.
Tunelový mikroskop sa nazýva, pretože využíva efekt tunelovacieho prúdu pretekajúceho hrotom: elektróny prechádzajú cez medzeru medzi hrotom a povrchom v dôsledku tunelovacieho efektu predpovedaného kvantovou mechanikou. Takéto zariadenie vyžaduje na fungovanie vákuum.
Mikroskop atómovej sily (AFM) je oveľa menej náročný na okolité podmienky - môže (s množstvom obmedzení) pracovať bez odsávania vzduchu. V istom zmysle je AFM nanotechnologickým nástupcom gramofónu. Ihla namontovaná na tenkom a flexibilnom konzolovom ramene ( konzolový a je tam "závorka"), sa pohybuje po povrchu bez toho, aby naň pôsobilo napätie a sleduje reliéf vzorky rovnakým spôsobom, ako ihla gramofónu sleduje drážky gramofónovej platne. Ohyb konzoly núti zrkadlo, ktoré je na nej pripevnené, vychýliť sa, zrkadlo vychyľuje laserový lúč, čo umožňuje veľmi presné určenie tvaru skúmanej vzorky. Hlavná vec je mať dostatočne presný systém pohybu ihly, ako aj zásobu ihiel, ktoré musia byť dokonale ostré. Polomer zakrivenia na špičkách takýchto ihiel nesmie presiahnuť jeden nanometer.
AFM umožňuje vidieť jednotlivé atómy a molekuly, avšak podobne ako tunelový mikroskop neumožňuje nahliadnuť pod povrch vzorky. Inými slovami, vedci si musia vybrať medzi schopnosťou vidieť atómy a schopnosťou študovať celý objekt ako celok. Avšak ani pre optické mikroskopy nie sú vnútro skúmaných vzoriek vždy prístupné, pretože minerály či kovy väčšinou prepúšťajú svetlo zle. Okrem toho stále vznikajú ťažkosti s fotografovaním atómov - tieto objekty sa javia ako jednoduché gule, tvar elektrónových oblakov na takýchto fotografiách nie je viditeľný.
Synchrotrónové žiarenie vznikajúce pri spomaľovaní nabitých častíc urýchľovaných urýchľovačmi umožňuje študovať fosílne pozostatky pravekých zvierat. Otáčaním vzorky pod röntgenovými lúčmi môžeme získať trojrozmerné tomogramy – takto sa našiel napríklad mozog vnútri lebky rýb, ktoré vyhynuli pred 300 miliónmi rokov. Od rotácie možno upustiť aj vtedy, ak je prenášané žiarenie zaznamenávané fixáciou röntgenových lúčov rozptýlených difrakciou.
A to nie sú všetky možnosti, ktoré röntgenové žiarenie otvára. Pri jej ožiarení mnohé materiály fluoreskujú a podľa povahy fluorescencie je možné určiť chemické zloženie látky: vedci tak farbia staroveké artefakty, Archimedove diela vymazané v stredoveku alebo farbu. z peria dávno vyhynutých vtákov.
Atómy predstavujú
Na pozadí všetkých možností, ktoré ponúkajú röntgenové alebo opticko-fluorescenčné metódy, sa nový spôsob fotografovania jednotlivých atómov nezdá byť až takým veľkým prelomom vo vede. Podstata metódy, ktorá umožnila získať snímky prezentované tento týždeň, je nasledovná: elektróny sú zbavené ionizovaných atómov a odoslané do špeciálneho detektora. Každý akt ionizácie odoberie elektrón z určitej polohy a získa jeden bod na „fotografii“. Po nahromadení niekoľkých tisíc takýchto bodov vedci vytvorili obrázok zobrazujúci najpravdepodobnejšie miesta detekcie elektrónu okolo jadra atómu, a to je podľa definície elektrónový oblak.
Na záver si povedzme, že schopnosť vidieť jednotlivé atómy s ich elektrónovými mrakmi je skôr čerešničkou na torte modernej mikroskopie. Pre vedcov bolo dôležité študovať štruktúru materiálov, študovať bunky a kryštály a výsledný vývoj technológie umožnil dosiahnuť atóm vodíka. Čokoľvek menej je už v sfére záujmu špecialistov na fyziku elementárnych častíc. A biológovia, materiáloví vedci a geológovia majú stále priestor na vylepšovanie mikroskopov, a to aj pri dosť miernom zväčšení na pozadí atómov. Napríklad špecialisti na neurofyziológiu už dlho túžili po zariadení, ktoré by dokázalo vidieť jednotlivé bunky vo vnútri živého mozgu, a tvorcovia roverov by predali svoju dušu za elektrónový mikroskop, ktorý by vyliezol na palubu kozmickej lode a mohol by pracovať na Marse.
Ako viete, všetko hmotné vo vesmíre pozostáva z atómov. Atóm je najmenšia jednotka hmoty, ktorá nesie jeho vlastnosti. Štruktúru atómu zase tvorí magická trojica mikročastíc: protóny, neutróny a elektróny.
Navyše, každá z mikročastíc je univerzálna. To znamená, že na svete nemôžete nájsť dva rôzne protóny, neutróny alebo elektróny. Všetky sú si navzájom absolútne podobné. A vlastnosti atómu budú závisieť len od kvantitatívneho zloženia týchto mikročastíc vo všeobecnej štruktúre atómu.
Napríklad štruktúra atómu vodíka pozostáva z jedného protónu a jedného elektrónu. Ďalej v zložitosti, atóm hélia sa skladá z dvoch protónov, dvoch neutrónov a dvoch elektrónov. Atóm lítia sa skladá z troch protónov, štyroch neutrónov a troch elektrónov atď.
Atómová štruktúra (zľava doprava): vodík, hélium, lítium
Atómy sa spájajú do molekúl a molekuly do látok, minerálov a organizmov. Molekula DNA, ktorá je základom všetkých živých vecí, je štruktúra zostavená z rovnakých troch magických tehál vesmíru ako kameň ležiaci na ceste. Hoci táto štruktúra je oveľa zložitejšia.
Ešte prekvapivejšie skutočnosti odhalíme, keď sa pokúsime bližšie pozrieť na proporcie a štruktúru atómového systému. Je známe, že atóm pozostáva z jadra a elektrónov, ktoré sa okolo neho pohybujú po trajektórii, ktorá opisuje guľu. To znamená, že sa to ani nedá nazvať pohybom v obvyklom zmysle slova. Elektrón sa skôr nachádza všade a bezprostredne v tejto sfére, vytvára elektrónový oblak okolo jadra a vytvára elektromagnetické pole.
Schematické znázornenia štruktúry atómu
Jadro atómu pozostáva z protónov a neutrónov a je v ňom sústredená takmer všetka hmota systému. Ale zároveň je samotné jadro také malé, že ak zväčšíte jeho polomer na mierku 1 cm, potom polomer celej atómovej štruktúry dosiahne stovky metrov. Všetko, čo vnímame ako hustú hmotu, teda pozostáva z viac ako 99 % energetických spojení medzi fyzickými časticami a menej ako 1 % samotných fyzických foriem.
Ale aké sú tieto fyzické formy? Z čoho sú vyrobené a z akého sú materiálu? Aby sme na tieto otázky odpovedali, pozrime sa bližšie na štruktúry protónov, neutrónov a elektrónov. Zostupujeme teda ešte o jeden krok do hlbín mikrosveta – na úroveň subatomárnych častíc.
Z čoho pozostáva elektrón?
Najmenšia častica v atóme je elektrón. Elektrón má hmotnosť, ale nemá objem. Z vedeckého hľadiska sa elektrón neskladá z ničoho, ale je to bod bez štruktúry.
Elektrón nie je možné vidieť pod mikroskopom. Pozoruje sa iba vo forme elektrónového oblaku, ktorý vyzerá ako rozmazaná guľa okolo atómového jadra. Zároveň nie je možné s presnosťou povedať, kde sa elektrón v danom čase nachádza. Zariadenia sú schopné zachytiť nie samotnú časticu, ale iba jej energetickú stopu. Podstata elektrónu nie je zakotvená v koncepte hmoty. Skôr je to ako akási prázdna forma, ktorá existuje len v pohybe a vďaka pohybu.
Doteraz sa v elektróne nenašla žiadna štruktúra. Je to rovnaká bodová častica ako kvantum energie. Elektrón je v skutočnosti energia, je však jej stabilnejšou formou ako tá, ktorú predstavujú fotóny svetla.
V súčasnosti sa elektrón považuje za nedeliteľný. Je to pochopiteľné, pretože nie je možné rozdeliť to, čo nemá objem. Teoreticky však už existuje vývoj, podľa ktorého zloženie elektrónu obsahuje trojicu takých kvázičastíc, ako sú:
- Orbiton - obsahuje informácie o orbitálnej polohe elektrónu;
- Spinon je zodpovedný za rotáciu alebo krútiaci moment;
- Holon - nesie informáciu o náboji elektrónu.
Ako však vidíme, kvázičastice s hmotou už nemajú absolútne nič spoločné a nesú len jednu informáciu.
Fotografie atómov rôznych látok v elektrónovom mikroskope
Je zaujímavé, že elektrón dokáže absorbovať kvantá energie, ako je svetlo alebo teplo. V tomto prípade sa atóm presunie na novú energetickú úroveň a hranice elektrónového oblaku sa rozšíria. Stáva sa tiež, že energia absorbovaná elektrónom je taká veľká, že môže vyskočiť z atómového systému a potom pokračovať vo svojom pohybe ako nezávislá častica. Zároveň sa správa ako fotón svetla, to znamená, že sa zdá, že prestáva byť časticou a začína prejavovať vlastnosti vlny. To bolo dokázané experimentálne.
Jungov experiment
V priebehu experimentu bol prúd elektrónov nasmerovaný na sito s dvomi vyrezanými štrbinami. Pri prechode cez tieto štrbiny sa elektróny zrazili s povrchom iného - projekčného - plátna a zanechali na ňom svoju stopu. V dôsledku tohto „bombardovania“ elektrónmi sa na projekčnej ploche objavil interferenčný obrazec, podobný tomu, ktorý by sa objavil, keby cez dve štrbiny prešli vlny, ale nie častice.
Takýto vzor vzniká v dôsledku skutočnosti, že vlna prechádzajúca medzi dvoma štrbinami je rozdelená na dve vlny. V dôsledku ďalšieho pohybu sa vlny navzájom prekrývajú a v niektorých oblastiach dochádza k ich vzájomnému tlmeniu. Výsledkom je, že na projekčnom plátne dostaneme veľa pruhov namiesto jedného, ako by to bolo, keby sa elektrón správal ako častica.
Štruktúra jadra atómu: protóny a neutróny
Protóny a neutróny tvoria jadro atómu. A napriek tomu, že jadro zaberá menej ako 1% celkového objemu, práve v tejto štruktúre je sústredená takmer celá hmota systému. Ale na úkor štruktúry protónov a neutrónov sa fyzici rozdelili v názoroch a v súčasnosti existujú dve teórie naraz.
- Teória č. 1 - Štandard
Štandardný model hovorí, že protóny a neutróny sa skladajú z troch kvarkov spojených oblakom gluónov. Kvarky sú bodové častice, rovnako ako kvantá a elektróny. A gluóny sú virtuálne častice, ktoré zabezpečujú interakciu kvarkov. V prírode sa však nenašli ani kvarky, ani gluóny, preto je tento model veľmi kritizovaný.
- Teória č. 2 - Alternatíva
Ale podľa alternatívnej teórie zjednoteného poľa, ktorú vyvinul Einstein, protón, podobne ako neutrón, ako každá iná častica fyzického sveta, je elektromagnetické pole rotujúce rýchlosťou svetla.
Ľudské a planétové elektromagnetické polia
Aké sú princípy štruktúry atómu?
Všetko na svete - tenké a husté, kvapalné, pevné a plynné - sú len energetické stavy nespočetných polí, ktoré prenikajú priestorom Vesmíru. Čím vyššia je úroveň energie v poli, tým je tenšia a menej vnímateľná. Čím je hladina energie nižšia, tým je stabilnejšia a hmatateľnejšia. V štruktúre atómu, rovnako ako v štruktúre ktorejkoľvek inej jednotky Vesmíru, spočíva interakcia takýchto polí - odlišná v hustote energie. Ukazuje sa, že hmota je len ilúziou mysle.
Fotografovanie samotného atómu a nie akejkoľvek jeho časti sa však zdalo byť mimoriadne náročnou úlohou, a to aj s použitím najmodernejších zariadení.
Faktom je, že podľa zákonov kvantovej mechaniky nie je možné rovnako presne určiť všetky vlastnosti subatomárnej častice. Táto časť teoretickej fyziky je postavená na Heisenbergovom princípe neurčitosti, ktorý tvrdí, že nie je možné rovnako presne zmerať súradnice a hybnosť častice – presné merania jednej vlastnosti určite zmenia údaje o inej.
Preto namiesto určovania polohy (súradníc častice) kvantová teória navrhuje merať takzvanú vlnovú funkciu.
Vlnová funkcia funguje takmer rovnako ako zvuková vlna. Jediný rozdiel je v tom, že matematický popis zvukovej vlny určuje pohyb molekúl vo vzduchu na určitom mieste a vlnová funkcia popisuje pravdepodobnosť výskytu častice na určitom mieste podľa Schrödingerovej rovnice.
Meranie vlnovej funkcie je tiež náročné (priame pozorovania vedú k jej kolapsu), no teoretickí fyzici vedia približne predpovedať jej hodnoty.
Experimentálne je možné merať všetky parametre vlnovej funkcie iba vtedy, ak sú získané zo samostatných deštruktívnych meraní uskutočnených na úplne identických systémoch atómov alebo molekúl.
Fyzici z holandského výskumného inštitútu AMOLF predstavili novú metódu, ktorá si nevyžaduje žiadnu „reštrukturalizáciu“ a výsledky svojej práce zverejnili v časopise Physical Review Letters. Ich metodológia je založená na hypotéze troch sovietskych teoretických fyzikov z roku 1981, ako aj na neskorších výskumoch.
Počas experimentu tím vedcov nasmeroval dva laserové lúče na atómy vodíka umiestnené v špeciálnej komore. V dôsledku tohto efektu elektróny opustili svoje dráhy s rýchlosťou a smerom, ktoré boli určené ich vlnovými funkciami. Silné elektrické pole v komore obsahujúcej atómy vodíka poslalo elektróny do určitých častí planárneho (plochého) detektora.
Poloha elektrónov dopadajúcich na detektor bola určená ich počiatočnou rýchlosťou, nie ich polohou v komore. Rozloženie elektrónov na detektore teda vedcom napovedalo o vlnovej funkcii týchto častíc, ktorú mali, keď opustili obežnú dráhu pri jadre atómu vodíka.
Pohyby elektrónov sa zobrazovali na fosforeskujúcej obrazovke v podobe tmavých a svetlých prstencov, ktoré vedci odfotografovali digitálnym fotoaparátom s vysokým rozlíšením.
"S našimi výsledkami sme veľmi spokojní. Kvantová mechanika má tak málo spoločného s každodenným životom ľudí, že len málokto by si pomyslel urobiť skutočnú fotografiu kvantových interakcií v atóme," hovorí hlavná autorka Aneta Stodolna. Tvrdí tiež, že vyvinutá technika môže mať praktické využitie, napríklad na vytváranie vodičov hrubých ako atóm, vývoj technológie molekulárnych drôtov, ktorá výrazne zlepšuje moderné elektronické zariadenia.
"Je pozoruhodné, že experiment bol vykonaný presne na vodíku - súčasne najjednoduchšej a najrozšírenejšej látke v našom vesmíre. Bude potrebné pochopiť, či sa táto technika dá aplikovať na zložitejšie atómy. ale aj na nanotechnológiu," hovorí Jeff Lundeen z University of Ottawa, ktorý sa na štúdii nezúčastnil.
Samotní vedci, ktorí experiment uskutočnili, sa však nad praktickou stránkou problému nezamýšľajú. Veria, že ich objav súvisí predovšetkým so základnou vedou, ktorá pomôže preniesť viac poznatkov na budúce generácie fyzikov.
PostNauka vyvracia vedecké mýty a vysvetľuje bežné mylné predstavy. Požiadali sme našich odborníkov, aby sa vyjadrili k populárnym myšlienkam o štruktúre a vlastnostiach atómov.
Rutherfordov model zodpovedá moderným predstavám o štruktúre atómu
To je pravda, ale čiastočne. Planetárny model atómu, v ktorom ľahké elektróny obiehajú okolo ťažkého jadra, podobne ako planéty okolo Slnka, navrhol Ernest Rutherford v roku 1911 po objavení samotného jadra v jeho laboratóriu. Bombardovaním plátu kovovej fólie alfa časticami vedci zistili, že veľká väčšina častíc prechádza fóliou, ako svetlo cez sklo. Malá časť z nich - asi jeden z 8 000 - sa však odrazila späť k zdroju. Rutherford tieto výsledky vysvetlil tým, že hmota nie je v hmote rozložená rovnomerne, ale je sústredená v „zhlukoch“ – atómových jadrách, ktoré nesú kladný náboj, ktorý odpudzuje kladne nabité častice alfa. Ľahké negatívne nabité elektróny sa vyhýbajú „pádu“ na jadro tým, že sa okolo nich otáčajú, takže odstredivá sila vyrovnáva elektrostatickú príťažlivosť.
Hovorí sa, že pri vynájdení tohto modelu Rutherford zvolal: "Teraz už viem, ako vyzerá atóm!" Čoskoro si však Rutherford po inšpirácii uvedomil chybnosť svojho nápadu. Elektrón, ktorý sa otáča okolo jadra, vytvára okolo seba striedavé elektrické a magnetické polia. Tieto polia sa šíria rýchlosťou svetla vo forme elektromagnetickej vlny. A takáto vlna so sebou nesie energiu! Ukazuje sa, že elektrón otáčaním okolo jadra neustále stráca energiu a v priebehu miliardtín sekundy padne na jadro. (Môže vyvstať otázka, či je možné použiť rovnaký argument na planéty slnečnej sústavy: prečo nedopadajú na Slnko? Odpoveď: gravitačné vlny, ak vôbec existujú, sú oveľa slabšie ako elektromagnetické vlny a energia uložená v planétach je oveľa väčšia ako v elektrónoch, takže „výkonová rezerva“ planét je o mnoho rádov dlhšia.)
Rutherford poveril svojho spolupracovníka, mladého teoretika Nielsa Bohra, aby rozpor vyriešil. Po dvoch rokoch práce Bohr našiel čiastočné riešenie. Predpokladal, že medzi všetkými možnými dráhami elektrónu sú tie, na ktorých môže byť elektrón dlhý čas bez emitovania. Elektrón sa môže pohybovať z jednej stacionárnej dráhy na druhú, pričom absorbuje alebo vyžaruje kvantum elektromagnetického poľa s energiou rovnajúcou sa rozdielu medzi energiami týchto dvoch dráh. Pomocou počiatočných princípov kvantovej fyziky, ktoré už boli v tom čase objavené, Bohr dokázal vypočítať parametre stacionárnych dráh a podľa toho aj energie kvánt žiarenia zodpovedajúcich prechodom. V tom čase sa tieto energie merali pomocou spektroskopických metód a Bohrove teoretické predpovede sa takmer dokonale zhodovali s výsledkami týchto meraní!
Napriek tomuto triumfálnemu výsledku Bohrova teória len ťažko objasnila problematiku atómovej fyziky, pretože bola semiempirická: predpokladajúc prítomnosť stacionárnych dráh nijakým spôsobom nevysvetľovala ich fyzikálnu podstatu. Hĺbkové vysvetlenie problému si vyžiadalo ešte minimálne dve desaťročia, počas ktorých sa kvantová mechanika vyvinula ako systematická integrálna fyzikálna teória.
V rámci tejto teórie sa elektrón riadi princípom neurčitosti a nie je opísaný hmotným bodom ako planéta, ale vlnovou funkciou „rozmazanou“ po celej dráhe. V každom časovom okamihu je v superpozícii stavov zodpovedajúcich všetkým bodom obežnej dráhy. Keďže hustota rozloženia hmoty v priestore, určená vlnovou funkciou, nezávisí od času, nevytvára sa okolo elektrónu striedavé elektromagnetické pole; nedochádza ani k strate energie.
Planetárny model teda poskytuje správnu vizuálnu reprezentáciu toho, ako atóm vyzerá - Rutherford mal vo svojom zvolaní pravdu. Neposkytuje však vysvetlenie toho, ako atóm funguje: toto zariadenie je oveľa zložitejšie a hlbšie ako niečo, čo modeloval Rutherford.
Na záver by som rád poznamenal, že „mýtus“ planetárneho modelu je v samom centre intelektuálnej drámy, ktorá pred sto rokmi viedla k obratu vo fyzike a do značnej miery formovala túto vedu v jej modernom formulár.
Alexander Ľvovský
PhD v odbore fyzika, profesor na Fyzikálnej fakulte Univerzity v Calgary, vedúci vedeckej skupiny, člen vedeckej rady Ruského kvantového centra, redaktor vedeckého časopisu Optics Express
Jednotlivé atómy je možné ovládať
Toto je pravda. Samozrejme, že môžete, prečo nie? Môžete ovládať rôzne parametre atómu a atóm ich má veľa: má polohu v priestore, rýchlosť a existujú aj vnútorné stupne voľnosti. Vnútorné stupne voľnosti určujú magnetické a elektrické vlastnosti atómu, ako aj ochotu vyžarovať svetlo alebo rádiové vlny. V závislosti od vnútorného stavu atómu môže byť viac alebo menej aktívny pri zrážkach a chemických reakciách, meniť vlastnosti okolitých atómov a jeho reakcia na vonkajšie polia závisí od jeho vnútorného stavu. Napríklad v medicíne sa takzvané polarizované plyny používajú na konštrukciu tomogramov pľúc - v takýchto plynoch sú všetky atómy v rovnakom vnútornom stave, čo umožňuje "vidieť" objem, ktorý napĺňajú ich odozvou.
Ovládanie rýchlosti atómu alebo jeho polohy nie je také ťažké, oveľa ťažšie je vybrať na riadenie práve jeden atóm. Ale aj toto sa dá. Jeden z prístupov k takejto separácii atómov je realizovaný pomocou laserového chladenia. Pre kontrolu je vždy vhodné mať známu počiatočnú polohu, je veľmi dobré, ak sa atóm zároveň stále nepohybuje. Laserové chladenie umožňuje dosiahnuť oboje, lokalizovať atómy v priestore a ochladiť ich, teda znížiť ich rýchlosť takmer na nulu. Princíp chladenia laserom je rovnaký ako pri prúdovom lietadle, len prúdové lietadlo vyžaruje prúd plynu na zrýchlenie a v prvom prípade atóm naopak pohltí prúd fotónov (častice svetla) a spomaľuje . Moderné metódy laserového chladenia umožňujú ochladiť milióny atómov na rýchlosť chodcov a nižšiu. Ďalej prichádzajú do úvahy rôzne druhy pasívnych pascí, napríklad dipólová pasca. Ak sa na chladenie lasera používa svetelné pole, ktoré atóm aktívne pohlcuje, potom na jeho udržanie v dipólovej pasci sa frekvencia svetla volí ďaleko od akejkoľvek absorpcie. Ukazuje sa, že vysoko zaostrené laserové svetlo je schopné polarizovať malé častice a prachové častice a vtiahnuť ich do oblasti najvyššej intenzity svetla. Atóm nie je výnimkou a je tiež vtiahnutý do oblasti najsilnejšieho poľa. Ukazuje sa, že ak sústredíte svetlo čo najsilnejšie, potom sa v takejto pasci môže udržať iba jeden atóm. Faktom je, že ak druhý padne do pasce, potom je tak silne pritlačený k prvému, že vytvoria molekulu a súčasne vypadnú z pasce. Takéto ostré zaostrenie však nie je jediným spôsobom, ako izolovať jeden atóm, môžete využiť aj vlastnosti interakcie atómu s rezonátorom pre nabité atómy, ióny, môžete pomocou elektrických polí zachytiť a obmedziť práve jeden ión, a tak ďalej. Dokonca môžete excitovať jeden atóm v pomerne obmedzenom súbore atómov do veľmi silne excitovaného, takzvaného Rydbergovho stavu. Atóm, ktorý je raz vzrušený do stavu Rydberg, blokuje možnosť vzrušenia svojich susedov do rovnakého stavu a ak je objem s atómami dostatočne malý, bude jedinečný.
Tak či onak, po zachytení atómu sa s ním dá manipulovať. Vnútorný stav je možné meniť pomocou svetelných a rádiofrekvenčných polí, pomocou požadovaných frekvencií a polarizácie elektromagnetickej vlny. Atóm je možné preniesť do akéhokoľvek vopred určeného stavu, či už je to určitý stav - úroveň alebo ich superpozícia. Jedinou otázkou je dostupnosť potrebných frekvencií a schopnosť robiť dostatočne krátke a silné riadiace impulzy. Nedávno bolo možné účinnejšie ovládať atómy, udržiavať ich v blízkosti nanoštruktúr, čo umožňuje nielen efektívnejšie „rozprávať“ s atómom, ale aj využívať samotný atóm – presnejšie jeho vnútorné stavy – na riadenie. toky svetla av budúcnosti možno aj na výpočtové účely.
Ovládanie polohy atómu držaného pascou je veľmi jednoduchá úloha – stačí pohnúť samotnou pascou. V prípade dipólovej pasce posuňte svetelný lúč, čo sa dá urobiť napríklad pohyblivými zrkadlami pre laserovú show. Rýchlosť atómu môže byť opäť daná reaktívnym spôsobom - aby absorboval svetlo a ión môže byť ľahko rozptýlený elektrickými poľami, rovnako ako to bolo v katódových trubiciach. S atómom sa teda dnes v zásade dá robiť čokoľvek, je to len otázka času a úsilia.
Alexej Akimov
Atóm je nedeliteľný
Čiastočne pravda, čiastočne nie. Wikipedia nám dáva nasledujúcu definíciu: „Atóm (zo starogréčtiny ἄτομος – nedeliteľný, nerozrezaný) je častica hmoty mikroskopickej veľkosti a hmotnosti, najmenšia časť chemického prvku, ktorá je nositeľom jej vlastností. Atóm sa skladá z atómového jadra a elektrónov."
Každý vzdelaný človek teraz predstavuje atóm v Rutherfordovom modeli, zhrnutom v poslednej vete tejto všeobecne akceptovanej definície. Zdá sa, že odpoveď na túto otázku / mýtus je zrejmá: atóm je zložený a komplexný objekt. Situácia však nie je taká jednoznačná. Starovekí filozofi kládli do definície atómu skôr zmysel existencie elementárnej a nedeliteľnej častice hmoty a problém so štruktúrou prvkov periodickej tabuľky takmer nespájali. V Rutherfordovom atóme takúto časticu naozaj nájdeme – je to elektrón.
Elektrón v súlade s modernými koncepciami, ktoré zapadajú do tzv
«> Štandardný model, je bod, ktorého stav je opísaný polohou a rýchlosťou. Je dôležité, že súčasná špecifikácia týchto kinematických charakteristík je nemožná kvôli Heisenbergovmu princípu neurčitosti, ale ak vezmeme do úvahy iba jednu z nich, napríklad súradnicu, je možné ju určiť s ľubovoľne vysokou presnosťou.
Je teda možné pomocou moderných experimentálnych techník pokúsiť sa lokalizovať elektrón v mierke výrazne menšej ako je veľkosť atómu (~ 0,5 x 10-8 cm) a skontrolovať jeho bodovosť? Ukazuje sa, že pri pokuse o lokalizáciu elektrónu na stupnici takzvanej Comptonovej vlnovej dĺžky - asi 137-krát menšej ako veľkosť atómu vodíka - bude elektrón interagovať so svojou antihmotou a systém sa stane nestabilným.
Bod a nedeliteľnosť elektrónu a iných elementárnych častíc hmoty je kľúčovým prvkom princípu interakcie krátkeho dosahu v teórii poľa a je prítomný vo všetkých základných rovniciach opisujúcich prírodu. Starovekí filozofi teda neboli tak ďaleko od pravdy, keď predpokladali, že existujú nedeliteľné častice hmoty.
Dmitrij Kuprijanov
Doktor fyzikálnych a matematických vied, profesor fyziky na Štátnej polytechnickej univerzite v Petrohrade, ved. Katedra teoretickej fyziky SPbSPU
Toto je pre vedu stále neznáme. Planetárny model atómu, ktorý navrhol Rutherford, predpokladal, že elektróny sa točia okolo atómového jadra, ako planéty obiehajúce okolo Slnka. Zároveň bolo prirodzené predpokladať, že elektróny sú pevné sférické častice. Rutherfordov klasický model bol protirečivý. Je zrejmé, že pohybujúce sa urýchlené nabité častice (elektróny) by museli stratiť energiu v dôsledku elektromagnetického žiarenia a nakoniec by spadli na jadrá atómov.
Niels Bohr navrhol zakázať tento proces a zaviesť určité požiadavky na polomery obežných dráh, po ktorých sa elektróny pohybujú. Bohrov fenomenologický model ustúpil kvantovému modelu atómu, ktorý vyvinul Heisenberg, a kvantovému, ale viac vizuálnemu modelu atómu, ktorý navrhol Schrödinger. V Schrödingerovom modeli už elektróny nie sú gule letiace po obežnej dráhe, ale stojaté vlny, ktoré ako oblaky visia nad atómovým jadrom. Tvar týchto „oblakov“ opísala vlnová funkcia, ktorú zaviedol Schrödinger.
Okamžite vyvstala otázka: aký je fyzikálny význam vlnovej funkcie? Odpoveď navrhol Max Born: druhá mocnina modulu vlnovej funkcie je pravdepodobnosť nájdenia elektrónu v danom bode v priestore. A tu začali ťažkosti. Vyvstala otázka: čo znamená nájsť elektrón v danom bode priestoru? Nemal by sa Bornov výrok chápať ako uznanie, že elektrón je malá gulička, ktorá letí po určitej dráhe a ktorú možno s určitou pravdepodobnosťou zachytiť v určitom bode tejto dráhy?
Tohoto názoru sa držali Schrodinger a Albert Einstein, ktorí sa k nemu v tejto veci pripojili. Oponovali im fyzici kodanskej školy – Niels Bohr a Werner Heisenberg, ktorí tvrdili, že elektrón medzi udalosťami merania jednoducho neexistuje, čo znamená, že nemá zmysel hovoriť o trajektórii jeho pohybu. Diskusia Bohra a Einsteina o interpretácii kvantovej mechaniky sa zapísala do histórie. Zdalo sa, že víťazom sa stal Bohr: podarilo sa mu, aj keď nie veľmi jasne, vyvrátiť všetky paradoxy formulované Einsteinom, a dokonca aj slávny paradox „Schrödingerovej mačky“, ktorý sformuloval Schrödinger v roku 1935. Väčšina fyzikov sa niekoľko desaťročí zhodla s Bohrom, že hmota nie je objektívna realita, ktorá je nám daná v senzáciách, ako učil Karl Marx, ale niečo, čo vzniká len v momente pozorovania a bez pozorovateľa neexistuje. Zaujímavé je, že v sovietskych časoch sa na katedrách filozofie na univerzitách učilo, že takýto pohľad je subjektívny idealizmus, teda trend, ktorý je v rozpore s objektívnym materializmom – filozofiou Marxa, Engelsa, Lenina a Einsteina. Zároveň sa na katedrách fyziky žiaci učili, že koncepcie kodanskej školy sú jediné správne (možno preto, že najznámejší sovietsky teoretický fyzik Lev Landau patril do tejto školy).
V súčasnosti sú názory fyzikov rozdelené. Na jednej strane je kodanská interpretácia kvantovej mechaniky naďalej populárna. Pokusy o experimentálne overenie platnosti tejto interpretácie (napríklad úspešný test tzv. Bellovej nerovnosti francúzskeho fyzika Alaina Aspeho) sa tešia takmer jednomyseľnému súhlasu vedeckej komunity. Na druhej strane teoretici celkom pokojne diskutujú o alternatívnych teóriách, ako je teória paralelných svetov. Keď sa vrátime k elektrónu, môžeme povedať, že jeho šance zostať biliardovou guľou zatiaľ nie sú príliš vysoké. Zároveň sú nenulové. V 20. rokoch to bol biliardový model Comptonovho rozptylu, ktorý umožnil dokázať, že svetlo pozostáva z kvánt – fotónov. V mnohých problémoch súvisiacich s dôležitými a užitočnými zariadeniami (diódy, tranzistory) je vhodné považovať elektrón za biliardovú guľu. Vlnová povaha elektrónu je dôležitá pre popis jemnejších účinkov, napríklad negatívnej magnetorezistencie kovov.
Filozofická otázka, či medzi aktmi merania existuje guľôčka-elektrón, nemá v bežnom živote veľký význam. Táto otázka je však naďalej jedným z najvážnejších problémov modernej fyziky.
Alexej Kavokin
PhD v odbore fyzika a matematika, profesor na University of Southampton, vedúci skupiny kvantovej polaritoniky v ruskom kvantovom centre, vedecký riaditeľ Stredomorského inštitútu základnej fyziky (Taliansko)
Atóm môže byť úplne zničený
Toto je pravda. Break nie stavať. Čokoľvek môže byť zničené, vrátane atómu, s akýmkoľvek stupňom úplnosti. Atóm v prvej aproximácii je kladne nabité jadro obklopené záporne nabitými elektrónmi. Prvá deštruktívna akcia, ktorá môže byť vykonaná vzhľadom na atóm, je odtrhnutie elektrónov z atómu. Dá sa to rôznymi spôsobmi: môžete naň zamerať silné laserové žiarenie, môžete ho ožarovať rýchlymi elektrónmi alebo inými rýchlymi časticami. Atóm, ktorý stratil časť svojich elektrónov, sa nazýva ión. V tomto stave sa atómy nachádzajú na Slnku, kde sú teploty také vysoké, že je prakticky nemožné, aby si atómy pri zrážkach zachovali svoje elektróny.
Čím viac elektrónov atóm stratil, tým ťažšie je odtrhnúť zvyšok. V závislosti od atómového čísla má atóm viac alebo menej elektrónov. Atóm vodíka má vo všeobecnosti jeden elektrón a ten ho často stráca aj za normálnych podmienok a práve vodík, ktorý stratil svoje elektróny, určuje pH vody. Atóm hélia má dva elektróny a v plne ionizovanom stave sa nazýva častice alfa – takéto častice už očakávame skôr z jadrového reaktora ako z obyčajnej vody. Atómy obsahujúce veľa elektrónov vyžadujú ešte viac energie na odstránenie všetkých elektrónov, ale napriek tomu môžete odstrániť všetky elektróny z akéhokoľvek atómu.
Ak sa odtrhnú všetky elektróny, tak jadro zostane, ale môže sa aj zničiť. Jadro pozostáva z protónov a neutrónov (zvyčajne hadrónov), a hoci sú dosť silne spojené, dopadajúca častica s dostatočne vysokou energiou ich môže roztrhnúť. Ťažké atómy, v ktorých je príliš veľa neutrónov a protónov, majú tendenciu sa samé od seba rozpadávať, pričom sa uvoľňuje pomerne veľa energie – na tomto princípe sú založené jadrové elektrárne.
Ale aj keď sa jadro rozbije, všetky elektróny sa odtrhnú, ostanú pôvodné častice: neutróny, protóny, elektróny. Môžu byť, samozrejme, tiež zničené. V skutočnosti to robí, čo urýchľuje protóny na obrovské energie a úplne ich ničí pri zrážkach. Zároveň sa rodí množstvo nových častíc, ktoré zrážač študuje. To isté možno urobiť s elektrónmi a akýmikoľvek inými časticami.
Energia zničenej častice nezmizne, rozdelí sa medzi ostatné častice, a ak ich je dostatok, nie je možné rýchlo vystopovať pôvodnú časticu v mori nových premien. Všetko sa dá zničiť, neexistujú žiadne výnimky.
Alexej Akimov
PhD v odbore fyzika a matematika, vedúci skupiny „kvantových simulátorov“ ruského kvantového centra, prednášajúci na Moskovskom inštitúte fyziky a technológie, zamestnanec Lebedevovho fyzikálneho inštitútu, výskumník na Harvardskej univerzite