อะตอมมีหน้าตาเป็นอย่างไรภายใต้กล้องจุลทรรศน์? โครงสร้างและหลักการของอะตอม

ในความเป็นจริง ผู้เขียน RTCh ได้ไปไกลถึง "ภาพสะท้อน" ของเขาว่าถึงเวลาที่จะต้องกระตุ้นให้เกิดข้อโต้แย้งอย่างหนัก กล่าวคือ ข้อมูลจากการทดลองของนักวิทยาศาสตร์ชาวญี่ปุ่นเพื่อถ่ายภาพอะตอมไฮโดรเจน ซึ่งเป็นที่รู้จักเมื่อวันที่ 4 พฤศจิกายน , 2010. ภาพนี้แสดงรูปร่างอะตอมอย่างชัดเจน ซึ่งยืนยันทั้งความแยกส่วนและความกลมของอะตอม: “กลุ่มนักวิทยาศาสตร์และผู้เชี่ยวชาญจากมหาวิทยาลัยโตเกียวถ่ายภาพอะตอมไฮโดรเจนเดี่ยวๆ เป็นครั้งแรกในโลก ซึ่งเบาที่สุดและเล็กที่สุดในบรรดาอะตอมทั้งหมด สำนักข่าวรายงาน.

ภาพนี้ถ่ายโดยใช้หนึ่งในเทคโนโลยีล่าสุด - กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนชนิดสแกนพิเศษ เมื่อใช้อุปกรณ์นี้ อะตอมวานาเดียมที่แยกจากกันถูกถ่ายภาพพร้อมกับอะตอมไฮโดรเจน
เส้นผ่านศูนย์กลางของอะตอมไฮโดรเจนคือหนึ่งในสิบพันล้านเมตร ก่อนหน้านี้เชื่อกันว่าแทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะถ่ายภาพด้วยอุปกรณ์ที่ทันสมัย ไฮโดรเจนเป็นสารที่พบมากที่สุด ส่วนแบ่งในจักรวาลทั้งหมดอยู่ที่ประมาณ 90%

ตามที่นักวิทยาศาสตร์กล่าวไว้ อนุภาคมูลฐานอื่นๆ ก็สามารถดักจับได้ในลักษณะเดียวกัน “ตอนนี้เราสามารถเห็นอะตอมทั้งหมดที่ประกอบเป็นโลกของเรา” ศาสตราจารย์ยูอิจิ อิคุฮาระ กล่าว “นี่คือความก้าวหน้าของการผลิตรูปแบบใหม่ ซึ่งในอนาคตจะสามารถตัดสินใจในระดับอะตอมและโมเลกุลแต่ละรายการได้”

อะตอมไฮโดรเจน สีสัมพันธ์
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i21/e213001

กลุ่มนักวิทยาศาสตร์จากเยอรมนี กรีซ เนเธอร์แลนด์ สหรัฐอเมริกา และฝรั่งเศส ถ่ายภาพอะตอมไฮโดรเจน ภาพเหล่านี้ซึ่งได้มาจากกล้องจุลทรรศน์โฟโตอิออไนเซชัน แสดงการกระจายความหนาแน่นของอิเล็กตรอนซึ่งสอดคล้องกับผลลัพธ์ของการคำนวณทางทฤษฎีโดยสิ้นเชิง ผลงานของทีมงานระหว่างประเทศแสดงอยู่ในหน้า Physical Review Letters

สาระสำคัญของวิธีการโฟโตออไนเซชันคือการไอออไนซ์ตามลำดับของอะตอมไฮโดรเจนนั่นคือการกำจัดอิเล็กตรอนออกจากพวกมันเนื่องจากการฉายรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า อิเล็กตรอนที่แยกออกจากกันจะถูกส่งไปยังเมทริกซ์ที่ละเอียดอ่อนผ่านวงแหวนที่มีประจุบวก และตำแหน่งของอิเล็กตรอนในขณะที่ชนกับเมทริกซ์จะสะท้อนตำแหน่งของอิเล็กตรอนในขณะที่อะตอมแตกตัวเป็นไอออน วงแหวนที่มีประจุซึ่งเบี่ยงเบนอิเล็กตรอนไปด้านข้างจะทำหน้าที่เป็นเลนส์ และด้วยความช่วยเหลือนี้ ภาพจึงถูกขยายหลายล้านครั้ง

วิธีการนี้ซึ่งอธิบายไว้ในปี 2004 ได้ถูกนำมาใช้ในการถ่ายภาพ "ภาพถ่าย" ของโมเลกุลแต่ละโมเลกุลแล้ว แต่นักฟิสิกส์ได้ดำเนินการต่อไปและใช้กล้องจุลทรรศน์โฟโตอิออนเพื่อศึกษาอะตอมของไฮโดรเจน เนื่องจากการชนของอิเล็กตรอนหนึ่งตัวทำให้เกิดจุดเดียวเท่านั้น นักวิจัยจึงสะสมอิเล็กตรอนแต่ละตัวจากอะตอมที่แตกต่างกันประมาณ 20,000 ตัว และรวบรวมภาพเฉลี่ยของเปลือกอิเล็กตรอน

ตามกฎของกลศาสตร์ควอนตัม อิเล็กตรอนในอะตอมไม่มีตำแหน่งเฉพาะเจาะจงในตัวมันเอง เฉพาะเมื่ออะตอมมีปฏิสัมพันธ์กับสภาพแวดล้อมภายนอกเท่านั้นที่อิเล็กตรอนจะปรากฏขึ้นด้วยความน่าจะเป็นอย่างใดอย่างหนึ่งในบริเวณใกล้เคียงของนิวเคลียสของอะตอม: บริเวณที่มีความน่าจะเป็นในการตรวจจับอิเล็กตรอนสูงสุดเรียกว่าเปลือกอิเล็กตรอน ภาพใหม่แสดงความแตกต่างระหว่างอะตอมที่มีสถานะพลังงานต่างกัน นักวิทยาศาสตร์สามารถแสดงให้เห็นรูปร่างของเปลือกอิเล็กตรอนที่ทำนายโดยกลศาสตร์ควอนตัมได้อย่างชัดเจน

ด้วยความช่วยเหลือของอุปกรณ์อื่นๆ กล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์ส่องกราด ไม่เพียงแต่สามารถมองเห็นอะตอมแต่ละอะตอมได้ แต่ยังเคลื่อนย้ายไปยังตำแหน่งที่ต้องการอีกด้วย ประมาณหนึ่งเดือนที่ผ่านมา เทคนิคนี้ทำให้วิศวกรของ IBM สามารถวาดการ์ตูนได้ โดยแต่ละเฟรมประกอบด้วยอะตอม การทดลองทางศิลปะดังกล่าวไม่มีผลในทางปฏิบัติใดๆ แต่แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ขั้นพื้นฐานในการจัดการกับอะตอม เพื่อวัตถุประสงค์ในการนำไปใช้ ไม่ใช่การใช้การประกอบอะตอมมิกอีกต่อไป แต่เป็นกระบวนการทางเคมีที่มีการจัดระเบียบโครงสร้างนาโนด้วยตนเอง หรือการจำกัดการเติบโตของชั้นโมโนอะตอมบนพื้นผิว

อะตอมไฮโดรเจนจับเมฆอิเล็กตรอน และถึงแม้ว่านักฟิสิกส์ยุคใหม่ที่ใช้เครื่องเร่งความเร็วสามารถกำหนดรูปร่างของโปรตอนได้ แต่ดูเหมือนว่าอะตอมไฮโดรเจนจะยังคงเป็นวัตถุที่เล็กที่สุดซึ่งเป็นภาพที่สมเหตุสมผลที่จะเรียกรูปถ่าย Lenta.ru นำเสนอภาพรวมของวิธีการสมัยใหม่ในการถ่ายภาพโลกใบเล็ก

พูดอย่างเคร่งครัด ทุกวันนี้แทบไม่มีภาพถ่ายธรรมดาเหลืออยู่เลย ภาพที่เราเรียกรูปถ่ายเป็นประจำและสามารถพบได้ในรายงานภาพถ่ายของ Lenta.ru จริงๆ แล้วเป็นโมเดลคอมพิวเตอร์ เมทริกซ์ที่ไวต่อแสงในอุปกรณ์พิเศษ (แต่เดิมยังคงเรียกว่า "กล้อง") จะกำหนดการกระจายความเข้มของแสงเชิงพื้นที่ในช่วงสเปกตรัมที่แตกต่างกัน อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควบคุมจะจัดเก็บข้อมูลนี้ในรูปแบบดิจิทัล จากนั้นจึงตามด้วยวงจรอิเล็กทรอนิกส์อื่น จากข้อมูลนี้ จะออกคำสั่งให้กับทรานซิสเตอร์ในจอแสดงผลคริสตัลเหลว ฟิล์ม กระดาษ โซลูชั่นพิเศษสำหรับการประมวลผล - ทั้งหมดนี้กลายเป็นสิ่งแปลกใหม่ และถ้าเราจำความหมายที่แท้จริงของคำได้ การถ่ายภาพก็คือ "การวาดภาพด้วยแสง" แล้วเราจะว่าอย่างไรได้ว่านักวิทยาศาสตร์จัดการได้ เพื่อถ่ายภาพอะตอม เป็นไปได้ก็ต่อเมื่อมีข้อตกลงที่พอใช้เท่านั้น

ภาพถ่ายทางดาราศาสตร์มากกว่าครึ่งหนึ่งถ่ายโดยกล้องโทรทรรศน์อินฟราเรด อัลตราไวโอเลต และรังสีเอกซ์มานานแล้ว กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนไม่ได้ฉายรังสีด้วยแสง แต่ฉายรังสีด้วยลำแสงอิเล็กตรอน ในขณะที่กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมจะสแกนการผ่อนปรนของตัวอย่างด้วยเข็ม มีกล้องจุลทรรศน์เอ็กซ์เรย์และเครื่องสแกนภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็ก อุปกรณ์ทั้งหมดเหล่านี้ให้ภาพวัตถุต่าง ๆ ที่แม่นยำแก่เรา และแม้ว่าแน่นอนว่าไม่จำเป็นต้องพูดถึง "การวาดภาพด้วยแสง" ที่นี่ แต่เราก็ยังยอมให้ตัวเองเรียกภาพดังกล่าวว่าภาพถ่ายได้

การทดลองของนักฟิสิกส์เพื่อกำหนดรูปร่างของโปรตอนหรือการกระจายตัวของควาร์กภายในอนุภาคจะยังคงอยู่เบื้องหลัง เรื่องราวของเราจะจำกัดอยู่เพียงขนาดของอะตอม

เลนส์ไม่เคยแก่

ตามที่ปรากฎในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ 20 กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงยังมีพื้นที่สำหรับการปรับปรุง ช่วงเวลาชี้ขาดในการวิจัยทางชีววิทยาและการแพทย์คือการเกิดขึ้นของสีย้อมฟลูออเรสเซนต์และวิธีการที่ช่วยให้สามารถเลือกติดฉลากสารบางชนิดได้ นี่ไม่ใช่ "เพียงการเคลือบสีใหม่" แต่เป็นการปฏิวัติที่แท้จริง

ตรงกันข้ามกับความเชื่อที่นิยม การเรืองแสงไม่ใช่การเรืองแสงในที่มืดเลย (อย่างหลังเรียกว่าการเรืองแสง) นี่คือปรากฏการณ์ของการดูดซับควอนตัมของพลังงานบางอย่าง (เช่น แสงสีน้ำเงิน) พร้อมกับการปล่อยควอนตัมอื่นที่มีพลังงานต่ำกว่าตามมา และแสงอื่นๆ ตามมา (เมื่อดูดซับสีน้ำเงิน แสงสีเขียวจะถูกปล่อยออกมา) หากคุณติดตั้งตัวกรองแสงที่ส่งเฉพาะควอนตัมที่ปล่อยออกมาจากสีย้อมและปิดกั้นแสงที่ทำให้เกิดการเรืองแสง คุณจะเห็นพื้นหลังสีเข้มที่มีจุดสว่างของสีย้อม และในทางกลับกัน สีย้อมก็สามารถเลือกสีให้กับตัวอย่างได้อย่างมาก

ตัวอย่างเช่น คุณสามารถทาสีโครงร่างโครงร่างของเซลล์ประสาทเป็นสีแดง ไซแนปส์เป็นสีเขียว และนิวเคลียสเป็นสีน้ำเงิน คุณสามารถสร้างฉลากเรืองแสงที่จะช่วยให้คุณสามารถตรวจจับตัวรับโปรตีนบนเมมเบรนหรือโมเลกุลที่เซลล์สังเคราะห์ได้ภายใต้เงื่อนไขบางประการ วิธีการย้อมสีอิมมูโนฮิสโตเคมีได้ปฏิวัติวิทยาศาสตร์ชีวภาพ และเมื่อวิศวกรพันธุศาสตร์เรียนรู้ที่จะสร้างสัตว์ดัดแปลงพันธุกรรมด้วยโปรตีนเรืองแสง วิธีการนี้ก็เกิดใหม่ ตัวอย่างเช่น หนูที่มีเซลล์ประสาทที่วาดด้วยสีต่างกันกลายเป็นความจริง

นอกจากนี้ วิศวกรยังคิด (และฝึกฝน) วิธีการที่เรียกว่ากล้องจุลทรรศน์คอนโฟคอลด้วย สาระสำคัญอยู่ที่ความจริงที่ว่ากล้องจุลทรรศน์มุ่งเน้นไปที่ชั้นบางมากและไดอะแฟรมพิเศษจะตัดแสงที่สร้างโดยวัตถุที่อยู่นอกชั้นนี้ กล้องจุลทรรศน์ดังกล่าวสามารถสแกนตัวอย่างตามลำดับจากบนลงล่างและรับภาพจำนวนมาก ซึ่งเป็นพื้นฐานสำเร็จรูปสำหรับแบบจำลองสามมิติ

การใช้เลเซอร์และระบบควบคุมลำแสงแบบออปติคัลที่ซับซ้อนช่วยแก้ปัญหาสีย้อมซีดจางและทำให้ตัวอย่างทางชีวภาพที่ละเอียดอ่อนแห้งภายใต้แสงจ้า ลำแสงเลเซอร์จะสแกนตัวอย่างเมื่อจำเป็นสำหรับการถ่ายภาพเท่านั้น และเพื่อไม่ให้เสียเวลาและความพยายามในการตรวจสอบชิ้นงานขนาดใหญ่ผ่านช่องมองภาพที่มีมุมมองแคบ วิศวกรจึงเสนอระบบสแกนอัตโนมัติ: คุณสามารถวางแก้วพร้อมตัวอย่างไว้บนเวทีกล้องจุลทรรศน์ที่ทันสมัย ​​และอุปกรณ์จะ ถ่ายภาพพาโนรามาขนาดใหญ่ของตัวอย่างทั้งหมดอย่างอิสระ ขณะเดียวกันก็จะโฟกัสไปที่จุดที่ถูกต้องแล้วต่อหลายเฟรมเข้าด้วยกัน

กล้องจุลทรรศน์บางชนิดอาจมีหนูที่มีชีวิต หนู หรืออย่างน้อยสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังขนาดเล็ก ส่วนบางประเภทก็ให้กำลังขยายเล็กน้อย แต่ใช้ร่วมกับเครื่องเอ็กซ์เรย์ได้ เพื่อกำจัดการรบกวนจากการสั่นสะเทือน หลายเครื่องจึงถูกติดตั้งบนโต๊ะพิเศษที่มีน้ำหนักหลายตันภายในห้องโดยมีปากน้ำที่มีการควบคุมอย่างระมัดระวัง ค่าใช้จ่ายของระบบดังกล่าวสูงกว่าราคาของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนชนิดอื่นและการแข่งขันเพื่อให้ได้กรอบที่สวยที่สุดได้กลายเป็นประเพณีมายาวนาน นอกจากนี้ การปรับปรุงด้านทัศนศาสตร์ยังคงดำเนินต่อไป: จากการค้นหาประเภทกระจกที่ดีที่สุดและการเลือกชุดเลนส์ที่เหมาะสมที่สุด วิศวกรได้เปลี่ยนไปสู่วิธีโฟกัสแสง

เราได้ระบุรายละเอียดทางเทคนิคจำนวนหนึ่งโดยเฉพาะเพื่อแสดงให้เห็นว่าความก้าวหน้าในด้านการวิจัยทางชีววิทยามีความเกี่ยวข้องกับความก้าวหน้าในด้านอื่น ๆ มานานแล้ว หากไม่มีคอมพิวเตอร์ที่สามารถนับจำนวนเซลล์ที่มีรอยเปื้อนในภาพถ่ายหลายร้อยภาพได้โดยอัตโนมัติ ซูเปอร์ไมโครสโคปก็คงมีประโยชน์เพียงเล็กน้อย และหากไม่มีสีย้อมฟลูออเรสเซนต์ เซลล์นับล้านเซลล์ก็จะแยกไม่ออกจากกัน ดังนั้นจึงแทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะติดตามการก่อตัวของเซลล์ใหม่หรือการตายของเซลล์เก่า

ที่จริงแล้ว กล้องจุลทรรศน์ตัวแรกคือแคลมป์ที่มีเลนส์ทรงกลมติดอยู่ อะนาล็อกของกล้องจุลทรรศน์ดังกล่าวอาจเป็นไพ่ธรรมดาที่มีรูทำอยู่และมีหยดน้ำ ตามรายงานบางฉบับพบว่านักขุดทองใน Kolyma ใช้งานอุปกรณ์ที่คล้ายกันในศตวรรษที่ผ่านมา

เกินขีดจำกัดการเลี้ยวเบน

กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงมีข้อเสียพื้นฐาน ความจริงก็คือการใช้รูปร่างของคลื่นแสงนั้นเป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างรูปร่างของวัตถุเหล่านั้นขึ้นมาใหม่ซึ่งกลายเป็นว่าสั้นกว่าความยาวคลื่นมาก: ด้วยความสำเร็จเช่นเดียวกันคุณสามารถลองตรวจสอบพื้นผิวที่ละเอียดของวัสดุด้วยมือของคุณ ถุงมือเชื่อมแบบหนา

ข้อจำกัดที่สร้างขึ้นโดยการเลี้ยวเบนได้ถูกเอาชนะไปบางส่วนแล้ว โดยไม่ละเมิดกฎแห่งฟิสิกส์ สถานการณ์สองประการช่วยให้กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงสามารถดำน้ำได้ภายใต้แผงกั้นการเลี้ยวเบน: ความจริงที่ว่าในระหว่างควอนตัมฟลูออเรสเซนซ์จะถูกปล่อยออกมาโดยโมเลกุลของสีย้อมแต่ละตัว (ซึ่งอาจอยู่ห่างจากกันค่อนข้างมาก) และความจริงที่ว่าเนื่องจากการซ้อนทับของคลื่นแสง จึงเป็นไปได้ที่จะ จะได้จุดสว่างที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่าความยาวคลื่น

เมื่อซ้อนทับกัน คลื่นแสงสามารถหักล้างซึ่งกันและกันได้ ดังนั้นจึงตั้งค่าพารามิเตอร์การส่องสว่างของตัวอย่างเพื่อให้พื้นที่ที่เล็กที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ตกไปอยู่ในบริเวณที่สว่าง เมื่อใช้ร่วมกับอัลกอริธึมทางคณิตศาสตร์ที่อนุญาตให้ลบภาพซ้อนในภาพได้ การจัดแสงตามทิศทางดังกล่าวจะช่วยเพิ่มคุณภาพการถ่ายภาพได้อย่างคมชัด ตัวอย่างเช่น เป็นไปได้ที่จะตรวจสอบโครงสร้างภายในเซลล์โดยใช้กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงและแม้แต่ (โดยการรวมวิธีการที่อธิบายไว้กับกล้องจุลทรรศน์คอนโฟคอล) เพื่อให้ได้ภาพสามมิติของพวกมัน

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนกับเครื่องมืออิเล็กทรอนิกส์

เพื่อที่จะค้นพบอะตอมและโมเลกุล นักวิทยาศาสตร์ไม่จำเป็นต้องมองไปที่พวกมัน ทฤษฎีโมเลกุลไม่จำเป็นต้องมองเห็นวัตถุนั้น แต่จุลชีววิทยาเกิดขึ้นได้หลังจากการประดิษฐ์กล้องจุลทรรศน์เท่านั้น ดังนั้น ในตอนแรก กล้องจุลทรรศน์จึงมีความเกี่ยวข้องโดยเฉพาะกับการแพทย์และชีววิทยา กล่าวคือ นักฟิสิกส์และนักเคมีที่ศึกษาวัตถุที่มีขนาดเล็กกว่าอย่างเห็นได้ชัดซึ่งทำด้วยวิธีการอื่น เมื่อพวกเขาต้องการดูโลกใบเล็ก ข้อจำกัดของการเลี้ยวเบนกลายเป็นปัญหาร้ายแรง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อยังไม่ทราบวิธีการใช้กล้องจุลทรรศน์เรืองแสงที่อธิบายไว้ข้างต้น และไม่มีเหตุผลเลยที่จะเพิ่มความละเอียดจาก 500 เป็น 100 นาโนเมตร หากวัตถุที่ต้องตรวจสอบมีขนาดเล็กลงอีก!

เมื่อรู้ว่าอิเล็กตรอนสามารถประพฤติตัวเป็นทั้งคลื่นและเป็นอนุภาค นักฟิสิกส์จากเยอรมนีจึงสร้างเลนส์อิเล็กตรอนขึ้นในปี 1926 แนวคิดเบื้องหลังนั้นเรียบง่ายมากและเข้าใจได้สำหรับเด็กนักเรียนทุกคน เนื่องจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเบี่ยงเบนอิเล็กตรอน จึงสามารถใช้เพื่อเปลี่ยนรูปร่างของลำแสงของอนุภาคเหล่านี้ ดึงพวกมันออกจากกันในทิศทางที่ต่างกัน หรือในทางกลับกัน เพื่อลดเส้นผ่านศูนย์กลาง ของลำแสง ห้าปีต่อมา ในปี พ.ศ. 2474 Ernst Ruska และ Max Knoll ได้สร้างกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนตัวแรกของโลก ในอุปกรณ์นั้น ตัวอย่างจะถูกทำให้ส่องสว่างด้วยลำแสงอิเล็กตรอน จากนั้นเลนส์อิเล็กตรอนจะขยายลำแสงที่ผ่านไปก่อนที่จะตกลงไปบนหน้าจอเรืองแสงแบบพิเศษ กล้องจุลทรรศน์ตัวแรกให้กำลังขยายเพียง 400 เท่า แต่การแทนที่แสงด้วยอิเล็กตรอนเปิดหนทางสู่การถ่ายภาพด้วยกำลังขยายนับแสนครั้ง นักออกแบบต้องเอาชนะอุปสรรคทางเทคนิคเพียงไม่กี่อย่างเท่านั้น

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนทำให้สามารถตรวจสอบโครงสร้างของเซลล์ในคุณภาพที่ไม่สามารถบรรลุได้ก่อนหน้านี้ แต่จากภาพนี้ เป็นไปไม่ได้ที่จะเข้าใจอายุของเซลล์และการมีอยู่ของโปรตีนบางชนิดในเซลล์ และข้อมูลนี้จำเป็นมากสำหรับนักวิทยาศาสตร์

ขณะนี้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนสามารถถ่ายภาพไวรัสในระยะใกล้ได้ มีการดัดแปลงอุปกรณ์หลายอย่างที่ไม่เพียงแต่ช่วยให้ส่องสว่างบางส่วนเท่านั้น แต่ยังตรวจสอบพวกมันใน "แสงสะท้อน" ด้วย (ในอิเล็กตรอนที่สะท้อนแน่นอน) เราจะไม่พูดถึงรายละเอียดเกี่ยวกับกล้องจุลทรรศน์ทุกแบบ แต่เราทราบว่าเมื่อเร็วๆ นี้นักวิจัยได้เรียนรู้ที่จะสร้างภาพขึ้นมาใหม่จากรูปแบบการเลี้ยวเบน

แตะ ไม่ใช่ มอง

การปฏิวัติอีกครั้งหนึ่งเกิดขึ้นจากการละทิ้งหลักการของ "แสงและการมองเห็น" ออกไปอีก กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมและกล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์สแกน จะไม่ส่องสิ่งใดบนพื้นผิวของตัวอย่างอีกต่อไป ในทางกลับกัน เข็มที่บางเป็นพิเศษจะเคลื่อนไปทั่วพื้นผิว ซึ่งกระดอนได้อย่างแท้จริงแม้ในความผิดปกติขนาดเท่าอะตอมแต่ละตัวก็ตาม

เราสังเกตสิ่งสำคัญ: เข็มของกล้องจุลทรรศน์อุโมงค์ไม่เพียงสามารถเคลื่อนย้ายไปตามพื้นผิว แต่ยังใช้ในการจัดเรียงอะตอมใหม่จากที่หนึ่งไปอีกที่หนึ่งโดยไม่ต้องลงรายละเอียดของวิธีการดังกล่าวทั้งหมด นี่คือวิธีที่นักวิทยาศาสตร์สร้างจารึก ภาพวาด และแม้แต่การ์ตูนที่เด็กวาดเล่นกับอะตอม อะตอมซีนอนจริงถูกลากด้วยปลายกล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์สแกน

กล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์เรียกว่ากล้องจุลทรรศน์เนื่องจากใช้ผลกระทบของกระแสในอุโมงค์ที่ไหลผ่านเข็ม: อิเล็กตรอนผ่านช่องว่างระหว่างเข็มกับพื้นผิวเนื่องจากผลกระทบของอุโมงค์ที่ทำนายโดยกลศาสตร์ควอนตัม อุปกรณ์นี้ต้องใช้สุญญากาศจึงจะทำงาน

กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (AFM) มีความต้องการสภาพแวดล้อมน้อยกว่ามาก โดยสามารถทำงานได้ (โดยมีข้อจำกัดหลายประการ) โดยไม่ต้องสูบอากาศออก ในแง่หนึ่ง AFM เป็นผู้สืบทอดนาโนเทคโนโลยีต่อแผ่นเสียง เข็มที่ติดตั้งอยู่บนโครงยึดคานยื่นแบบบางและยืดหยุ่น ( เท้าแขนและมี "วงเล็บ") เคลื่อนที่ไปตามพื้นผิวโดยไม่ต้องใช้แรงดันไฟฟ้า และติดตามการผ่อนปรนของตัวอย่างในลักษณะเดียวกับเข็มแผ่นเสียงที่ติดตามไปตามร่องของแผ่นเสียง การโค้งงอของคานยื่นออกมาทำให้กระจกที่ติดตั้งอยู่หันเหไปทางลำแสงเลเซอร์ และทำให้สามารถกำหนดรูปร่างของตัวอย่างที่กำลังศึกษาได้อย่างแม่นยำมาก สิ่งสำคัญคือการมีระบบการเคลื่อนย้ายเข็มที่แม่นยำพอ ๆ กับการจัดหาเข็มที่ต้องมีความคมอย่างสมบูรณ์ รัศมีความโค้งที่ปลายเข็มดังกล่าวต้องไม่เกินหนึ่งนาโนเมตร

AFM ช่วยให้คุณมองเห็นอะตอมและโมเลกุลแต่ละตัวได้ แต่เช่นเดียวกับกล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์ มันไม่อนุญาตให้คุณมองใต้พื้นผิวของตัวอย่าง กล่าวอีกนัยหนึ่ง นักวิทยาศาสตร์ต้องเลือกระหว่างความสามารถในการมองเห็นอะตอมกับความสามารถในการศึกษาวัตถุทั้งหมด อย่างไรก็ตาม แม้จะใช้กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง แต่ภายในตัวอย่างที่กำลังศึกษาก็ไม่สามารถเข้าถึงได้เสมอไป เนื่องจากแร่ธาตุหรือโลหะมักจะส่งผ่านแสงได้ไม่ดีนัก นอกจากนี้ การถ่ายภาพอะตอมยังคงมีปัญหาอยู่ วัตถุเหล่านี้ปรากฏเป็นลูกบอลธรรมดา รูปร่างของเมฆอิเล็กตรอนไม่สามารถมองเห็นได้ในภาพดังกล่าว

การแผ่รังสีซินโครตรอนซึ่งเกิดขึ้นเมื่ออนุภาคที่มีประจุซึ่งเร่งด้วยเครื่องเร่งถูกลดความเร็วลง ทำให้สามารถศึกษาซากฟอสซิลของสัตว์ยุคก่อนประวัติศาสตร์ได้ ด้วยการหมุนตัวอย่างภายใต้รังสีเอกซ์ เราจะได้ภาพเอกซเรย์สามมิติ เช่น สมองถูกพบในกะโหลกของปลาที่สูญพันธุ์ไปเมื่อ 300 ล้านปีก่อน สามารถทำได้โดยไม่ต้องหมุนถ้ารังสีที่ส่งผ่านถูกบันทึกโดยการบันทึกรังสีเอกซ์ที่กระจัดกระจายเนื่องจากการเลี้ยวเบน

และนี่ไม่ใช่ความเป็นไปได้ทั้งหมดที่รังสีเอกซ์จะเปิดออก เมื่อถูกฉายรังสี วัสดุหลายชนิดจะเรืองแสงและองค์ประกอบทางเคมีของสารสามารถกำหนดได้ตามธรรมชาติของการเรืองแสง: นี่คือวิธีที่นักวิทยาศาสตร์ใช้ระบายสีสิ่งประดิษฐ์โบราณ ผลงานของอาร์คิมิดีสที่ถูกลบในยุคกลาง หรือสีของขนของ นกที่สูญพันธุ์ไปนานแล้ว

อะตอมก่อให้เกิด

ท่ามกลางความเป็นไปได้ทั้งหมดที่วิธีการเอกซเรย์หรือวิธีเรืองแสงแบบออพติคอลมีให้ วิธีการใหม่ในการถ่ายภาพอะตอมแต่ละอะตอมดูเหมือนจะไม่ใช่ความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ครั้งใหญ่อีกต่อไป สาระสำคัญของวิธีการที่ทำให้สามารถรับภาพที่นำเสนอในสัปดาห์นี้มีดังนี้: อิเล็กตรอนจะถูกดึงออกจากอะตอมที่แตกตัวเป็นไอออนและส่งไปยังเครื่องตรวจจับพิเศษ การกระทำไอออไนซ์แต่ละครั้งจะดึงอิเล็กตรอนออกจากตำแหน่งหนึ่งและให้จุดหนึ่งใน "ภาพถ่าย" หลังจากสะสมจุดดังกล่าวได้หลายพันจุด นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างภาพแสดงตำแหน่งที่เป็นไปได้มากที่สุดในการตรวจจับอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสของอะตอม และตามคำนิยามแล้ว นี่คือเมฆอิเล็กตรอน

โดยสรุป ความสามารถในการมองเห็นอะตอมแต่ละอะตอมด้วยเมฆอิเล็กตรอนนั้นค่อนข้างจะเป็นข้อดีของกล้องจุลทรรศน์สมัยใหม่ เป็นสิ่งสำคัญสำหรับนักวิทยาศาสตร์ที่จะต้องศึกษาโครงสร้างของวัสดุ ศึกษาเซลล์และคริสตัล และผลลัพธ์จากการพัฒนาเทคโนโลยีทำให้สามารถเข้าถึงอะตอมไฮโดรเจนได้ อะไรที่น้อยกว่านั้นก็เป็นที่สนใจของผู้เชี่ยวชาญในฟิสิกส์อนุภาคเบื้องต้นอยู่แล้ว และนักชีววิทยา นักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุ และนักธรณีวิทยา ยังคงมีช่องว่างในการปรับปรุงกล้องจุลทรรศน์ แม้ว่าจะมีกำลังขยายเพียงเล็กน้อย เมื่อเทียบกับพื้นหลังของอะตอมก็ตาม ต้องการมีอุปกรณ์ที่สามารถมองเห็นเซลล์แต่ละเซลล์ในสมองที่มีชีวิตมานานแล้ว และผู้สร้างยานสำรวจดาวอังคารก็ขายจิตวิญญาณของตนเพื่อซื้อกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนที่สามารถติดบนยานอวกาศและสามารถทำงานบนดาวอังคารได้

ดังที่คุณทราบ วัสดุทุกอย่างในจักรวาลประกอบด้วยอะตอม อะตอมเป็นหน่วยที่เล็กที่สุดของสสารที่มีคุณสมบัติของมัน ในทางกลับกัน โครงสร้างของอะตอมก็ประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กทั้งสามที่มีมนต์ขลัง ได้แก่ โปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน

นอกจากนี้แต่ละอนุภาคขนาดเล็กยังเป็นสากลอีกด้วย นั่นคือคุณไม่สามารถหาโปรตอน นิวตรอน หรืออิเล็กตรอนที่แตกต่างกันสองตัวในโลกได้ พวกเขาทั้งหมดคล้ายกันมาก และคุณสมบัติของอะตอมจะขึ้นอยู่กับองค์ประกอบเชิงปริมาณของอนุภาคขนาดเล็กเหล่านี้ในโครงสร้างโดยรวมของอะตอมเท่านั้น

ตัวอย่างเช่น โครงสร้างของอะตอมไฮโดรเจนประกอบด้วยโปรตอนหนึ่งตัวและอิเล็กตรอนหนึ่งตัว อะตอมที่ซับซ้อนรองลงมาคือฮีเลียม ประกอบด้วยโปรตอน 2 ตัว นิวตรอน 2 ตัว และอิเล็กตรอน 2 ตัว อะตอมลิเธียมประกอบด้วยโปรตอน 3 ตัว นิวตรอน 4 ตัว และอิเล็กตรอน 3 ตัว เป็นต้น

โครงสร้างอะตอม (จากซ้ายไปขวา): ไฮโดรเจน ฮีเลียม ลิเธียม

อะตอมรวมตัวกันเป็นโมเลกุล และโมเลกุลรวมตัวกันเป็นสสาร แร่ธาตุ และสิ่งมีชีวิต โมเลกุล DNA ซึ่งเป็นพื้นฐานของสิ่งมีชีวิตทั้งหมด เป็นโครงสร้างที่ประกอบขึ้นจากก้อนอิฐมหัศจรรย์สามก้อนแห่งจักรวาลเดียวกันกับก้อนหินที่วางอยู่บนถนน แม้ว่าโครงสร้างนี้จะซับซ้อนกว่ามากก็ตาม

ข้อเท็จจริงที่น่าทึ่งยิ่งกว่านั้นก็ถูกเปิดเผยเมื่อเราพยายามพิจารณาสัดส่วนและโครงสร้างของระบบอะตอมให้ละเอียดยิ่งขึ้น เป็นที่ทราบกันดีว่าอะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสและอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ไปรอบๆ ตามแนววิถีที่อธิบายทรงกลม นั่นคือไม่สามารถเรียกได้ว่าเป็นการเคลื่อนไหวในความหมายปกติของคำนี้ด้วยซ้ำ แต่อิเล็กตรอนจะอยู่ทุกที่และทันทีภายในทรงกลมนี้ ทำให้เกิดเมฆอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสและก่อตัวเป็นสนามแม่เหล็กไฟฟ้า

การแสดงแผนผังของโครงสร้างของอะตอม

นิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน และมวลเกือบทั้งหมดของระบบกระจุกตัวอยู่ในนั้น แต่ในขณะเดียวกันนิวเคลียสเองก็มีขนาดเล็กมากจนถ้ารัศมีของมันเพิ่มขึ้นเป็นระดับ 1 ซม. รัศมีของโครงสร้างอะตอมทั้งหมดจะสูงถึงหลายร้อยเมตร ดังนั้น ทุกสิ่งที่เรามองว่าเป็นสสารหนาแน่นประกอบด้วยมากกว่า 99% ของพันธะอันทรงพลังระหว่างอนุภาคทางกายภาพ และน้อยกว่า 1% ของรูปแบบทางกายภาพด้วยตัวมันเอง

แต่รูปแบบทางกายภาพเหล่านี้คืออะไร? พวกเขาทำมาจากอะไรและมีวัสดุอย่างไร? เพื่อตอบคำถามเหล่านี้ เรามาดูโครงสร้างของโปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอนกันดีกว่า ดังนั้นเราจึงลงลึกไปอีกขั้นหนึ่งสู่ส่วนลึกของไมโครเวิลด์ - สู่ระดับอนุภาคมูลฐาน

อิเล็กตรอนประกอบด้วยอะไร?

อนุภาคที่เล็กที่สุดของอะตอมคืออิเล็กตรอน อิเล็กตรอนมีมวลแต่ไม่มีปริมาตร ตามแนวคิดทางวิทยาศาสตร์ อิเล็กตรอนไม่ได้ประกอบด้วยสิ่งใดเลย แต่เป็นจุดที่ไม่มีโครงสร้าง

ไม่สามารถมองเห็นอิเล็กตรอนได้ภายใต้กล้องจุลทรรศน์ มองเห็นได้เฉพาะในรูปเมฆอิเล็กตรอนซึ่งดูเหมือนทรงกลมพร่ามัวรอบนิวเคลียสของอะตอม ในขณะเดียวกันก็เป็นไปไม่ได้ที่จะพูดอย่างแม่นยำว่าอิเล็กตรอนอยู่ ณ ช่วงเวลาใด เครื่องมือไม่สามารถจับตัวอนุภาคได้ แต่จับเฉพาะร่องรอยพลังงานเท่านั้น สาระสำคัญของอิเล็กตรอนไม่ได้ฝังอยู่ในแนวคิดเรื่องสสาร เปรียบเสมือนรูปว่างอันมีอยู่แต่ในการเคลื่อนไหวและการเคลื่อนไหวเท่านั้น

ยังไม่มีการค้นพบโครงสร้างในอิเล็กตรอน มันเป็นอนุภาคจุดเดียวกับควอนตัมพลังงาน ที่จริงแล้ว อิเล็กตรอนก็คือพลังงาน อย่างไรก็ตาม มันเป็นรูปแบบที่เสถียรมากกว่าอิเล็กตรอนที่เป็นโฟตอนของแสง

ในขณะนี้อิเล็กตรอนถือว่าแบ่งแยกไม่ได้ สิ่งนี้เป็นสิ่งที่เข้าใจได้ เพราะเป็นไปไม่ได้ที่จะแบ่งสิ่งที่ไม่มีปริมาตร อย่างไรก็ตาม ทฤษฎีนี้มีพัฒนาการตามที่อิเล็กตรอนประกอบด้วยควอซิพาร์ติเคิลจำนวนหนึ่งเช่น:

• Orbiton - มีข้อมูลเกี่ยวกับตำแหน่งการโคจรของอิเล็กตรอน
• Spinon – รับผิดชอบการหมุนหรือแรงบิด
• Holon – นำข้อมูลเกี่ยวกับประจุของอิเล็กตรอน

อย่างไรก็ตาม ตามที่เราเห็น quasiparticles ไม่มีอะไรที่เหมือนกันกับสสารเลย และมีเพียงข้อมูลเท่านั้น

ภาพถ่ายอะตอมของสารต่าง ๆ ในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน

สิ่งที่น่าสนใจคืออิเล็กตรอนสามารถดูดซับพลังงานควอนตัมได้ เช่น แสงหรือความร้อน ในกรณีนี้ อะตอมจะเคลื่อนไปสู่ระดับพลังงานใหม่ และขอบเขตของเมฆอิเล็กตรอนจะขยายออกไป นอกจากนี้ยังเกิดขึ้นที่พลังงานที่อิเล็กตรอนดูดซับนั้นมีมากจนสามารถกระโดดออกจากระบบอะตอมและเคลื่อนที่ต่อไปในฐานะอนุภาคอิสระ ในเวลาเดียวกัน มันก็มีพฤติกรรมเหมือนโฟตอนของแสง นั่นคือดูเหมือนว่าจะไม่เป็นอนุภาคและเริ่มแสดงคุณสมบัติของคลื่น สิ่งนี้ได้รับการพิสูจน์แล้วในการทดลอง

การทดลองของจุง

ในระหว่างการทดลอง กระแสอิเล็กตรอนพุ่งไปที่หน้าจอโดยมีรอยกรีดสองช่องอยู่ เมื่อผ่านรอยกรีดเหล่านี้ อิเล็กตรอนก็ชนกับพื้นผิวของจอฉายภาพอีกจอหนึ่ง และทิ้งร่องรอยไว้บนนั้น ผลจากการ "ทิ้งระเบิด" ของอิเล็กตรอน รูปแบบการรบกวนปรากฏขึ้นบนหน้าจอการฉายภาพ คล้ายกับรูปแบบที่จะปรากฏขึ้นหากคลื่น แต่ไม่ใช่อนุภาค ผ่านช่องสองช่อง

รูปแบบนี้เกิดขึ้นเนื่องจากคลื่นที่ผ่านระหว่างสองช่องถูกแบ่งออกเป็นสองคลื่น ผลจากการเคลื่อนไหวเพิ่มเติม คลื่นเหลื่อมกัน และในบางพื้นที่คลื่นจะถูกยกเลิกร่วมกัน ผลลัพธ์ที่ได้คือเส้นหลายเส้นบนจอฉายภาพ แทนที่จะเป็นเพียงเส้นเดียว ดังเช่นในกรณีที่อิเล็กตรอนมีพฤติกรรมเหมือนอนุภาค

โครงสร้างของนิวเคลียสของอะตอม: โปรตอนและนิวตรอน

โปรตอนและนิวตรอนประกอบขึ้นเป็นนิวเคลียสของอะตอม และแม้ว่าแกนกลางจะมีปริมาณน้อยกว่า 1% ของปริมาตรทั้งหมด แต่ในโครงสร้างนี้ที่มวลเกือบทั้งหมดของระบบมีความเข้มข้น แต่นักฟิสิกส์แบ่งตามโครงสร้างของโปรตอนและนิวตรอน และในขณะนี้มีสองทฤษฎี

• ทฤษฎีหมายเลข 1 - มาตรฐาน

แบบจำลองมาตรฐานบอกว่าโปรตอนและนิวตรอนประกอบด้วยควาร์กสามตัวที่เชื่อมต่อกันด้วยเมฆกลูออน ควาร์กเป็นอนุภาคจุด เช่นเดียวกับควอนตัมและอิเล็กตรอน และกลูออนก็เป็นอนุภาคเสมือนที่รับประกันปฏิกิริยาของควาร์ก อย่างไรก็ตาม ไม่เคยพบควาร์กหรือกลูออนในธรรมชาติ ดังนั้นแบบจำลองนี้จึงถูกวิพากษ์วิจารณ์อย่างรุนแรง

• ทฤษฎี #2 - ทางเลือก

แต่ตามทฤษฎีสนามรวมทางเลือกที่พัฒนาโดยไอน์สไตน์ โปรตอนก็เหมือนกับนิวตรอน เช่นเดียวกับอนุภาคอื่นๆ ในโลกกายภาพ คือสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่หมุนด้วยความเร็วแสง

สนามแม่เหล็กไฟฟ้าของมนุษย์และดาวเคราะห์

หลักการของโครงสร้างอะตอมคืออะไร?

ทุกสิ่งในโลก - บางและหนาแน่น ของเหลว ของแข็งและเป็นก๊าซ - เป็นเพียงสถานะพลังงานของสนามแม่เหล็กจำนวนนับไม่ถ้วนที่แทรกซึมอยู่ในอวกาศของจักรวาล ยิ่งระดับพลังงานในสนามสูงเท่าใด ก็จะยิ่งบางลงและมองเห็นได้น้อยลงเท่านั้น ยิ่งระดับพลังงานต่ำลงเท่าใดก็ยิ่งมีเสถียรภาพและจับต้องได้มากขึ้นเท่านั้น โครงสร้างของอะตอมตลอดจนโครงสร้างของหน่วยอื่น ๆ ของจักรวาลนั้นอยู่ที่ปฏิสัมพันธ์ของสนามดังกล่าว - ความหนาแน่นของพลังงานต่างกัน ปรากฎว่าสสารเป็นเพียงภาพลวงตาของจิตใจ

อย่างไรก็ตาม การถ่ายภาพอะตอมด้วยตัวมันเอง ไม่ใช่แค่ส่วนใดๆ ของอะตอม ดูเหมือนจะเป็นงานที่ยากมากแม้ว่าจะใช้อุปกรณ์ไฮเทคที่สุดก็ตาม

ความจริงก็คือตามกฎของกลศาสตร์ควอนตัม เป็นไปไม่ได้ที่จะระบุคุณสมบัติทั้งหมดของอนุภาคมูลฐานได้อย่างแม่นยำเท่าเทียมกัน สาขาฟิสิกส์เชิงทฤษฎีนี้สร้างขึ้นบนหลักการความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก ซึ่งระบุว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะวัดพิกัดและโมเมนตัมของอนุภาคด้วยความแม่นยำเท่ากัน การวัดที่แม่นยำของคุณสมบัติหนึ่งจะเปลี่ยนข้อมูลเกี่ยวกับอีกคุณสมบัติหนึ่งอย่างแน่นอน

ดังนั้น แทนที่จะระบุตำแหน่ง (พิกัดของอนุภาค) ทฤษฎีควอนตัมจึงเสนอให้วัดสิ่งที่เรียกว่าฟังก์ชันคลื่น

ฟังก์ชันคลื่นทำงานในลักษณะเดียวกับคลื่นเสียง ข้อแตกต่างเพียงอย่างเดียวคือคำอธิบายทางคณิตศาสตร์ของคลื่นเสียงเป็นตัวกำหนดการเคลื่อนที่ของโมเลกุลในอากาศในสถานที่หนึ่งๆ และฟังก์ชันคลื่นจะอธิบายความน่าจะเป็นที่อนุภาคจะปรากฏในสถานที่ใดสถานที่หนึ่งตามสมการชโรดิงเงอร์

การวัดฟังก์ชันคลื่นก็ทำได้ยากเช่นกัน (การสังเกตโดยตรงนำไปสู่การพังทลายของคลื่น) แต่นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีสามารถทำนายค่าของมันคร่าวๆ ได้

คุณสามารถทดลองวัดพารามิเตอร์ทั้งหมดของฟังก์ชันคลื่นได้เฉพาะในกรณีที่รวบรวมจากการวัดแบบทำลายล้างที่แยกกันซึ่งดำเนินการในระบบอะตอมหรือโมเลกุลที่เหมือนกันโดยสิ้นเชิง

นักฟิสิกส์จากสถาบันวิจัย AMOLF ของเนเธอร์แลนด์ได้นำเสนอวิธีการใหม่ที่ไม่จำเป็นต้องมี "การจัดเรียงใหม่" และตีพิมพ์ผลงานของพวกเขาในวารสาร Physical Review Letters เทคนิคนี้อิงตามสมมติฐานในปี 1981 โดยนักฟิสิกส์ทฤษฎีโซเวียต 3 คน รวมถึงงานวิจัยล่าสุดด้วย

ในระหว่างการทดลอง ทีมนักวิทยาศาสตร์ได้ยิงลำแสงเลเซอร์ 2 ลำไปที่อะตอมไฮโดรเจนที่อยู่ในห้องพิเศษ ผลจากการกระแทกนี้ อิเล็กตรอนออกจากวงโคจรด้วยความเร็วและทิศทางที่กำหนดโดยฟังก์ชันคลื่นของพวกมัน สนามไฟฟ้าแรงสูงในห้องที่มีอะตอมไฮโดรเจนจะกำหนดทิศทางอิเล็กตรอนไปยังส่วนเฉพาะของเครื่องตรวจจับในระนาบ (แบน)

ตำแหน่งของอิเล็กตรอนที่ชนกับเครื่องตรวจจับจะพิจารณาจากความเร็วเริ่มต้น ไม่ใช่จากตำแหน่งในห้อง ดังนั้น การกระจายตัวของอิเล็กตรอนบนเครื่องตรวจจับจึงแจ้งให้นักวิทยาศาสตร์ทราบเกี่ยวกับฟังก์ชันคลื่นของอนุภาคเหล่านี้ที่อิเล็กตรอนมีเมื่อออกจากวงโคจรรอบนิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจน

การเคลื่อนไหวของอิเล็กตรอนถูกแสดงบนหน้าจอเรืองแสงในรูปแบบของวงแหวนมืดและสว่าง ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ถ่ายภาพด้วยกล้องดิจิตอลความละเอียดสูง

“เราพอใจมากกับผลลัพธ์ของเรา กลศาสตร์ควอนตัมมีส่วนเกี่ยวข้องกับชีวิตประจำวันน้อยมากจนไม่น่าเป็นไปได้ที่ใครจะคิดที่จะได้ภาพถ่ายจริงของปฏิกิริยาควอนตัมในอะตอม” Aneta Stodolna ผู้เขียนนำกล่าว เธอยังอ้างว่าเทคนิคที่พัฒนาขึ้นนี้สามารถนำไปประยุกต์ใช้งานได้จริง เช่น การสร้างตัวนำที่มีความหนาเท่ากับอะตอม การพัฒนาเทคโนโลยีลวดโมเลกุล ซึ่งจะช่วยปรับปรุงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ได้อย่างมาก

“เป็นที่น่าสังเกตว่าการทดลองนี้ดำเนินการเฉพาะกับไฮโดรเจนซึ่งเป็นสสารที่ง่ายที่สุดและพบได้บ่อยที่สุดในจักรวาลของเรา จะต้องเข้าใจว่าเทคนิคนี้สามารถนำไปใช้กับอะตอมที่ซับซ้อนกว่านี้ได้หรือไม่ ความก้าวหน้าครั้งใหญ่ที่จะช่วยให้เราพัฒนาไม่เพียงแต่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เท่านั้น แต่ยังรวมถึงนาโนเทคโนโลยีด้วย” Jeff Lundeen จากมหาวิทยาลัยออตตาวา ซึ่งไม่เกี่ยวข้องกับการศึกษากล่าว

อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์ที่ทำการทดลองด้วยตนเองไม่ได้คิดถึงด้านการปฏิบัติของปัญหานี้ พวกเขาเชื่อว่าการค้นพบของพวกเขาเกี่ยวข้องกับวิทยาศาสตร์พื้นฐานเป็นหลัก ซึ่งจะช่วยถ่ายทอดความรู้เพิ่มเติมให้กับนักฟิสิกส์รุ่นต่อๆ ไป

PostScience หักล้างตำนานทางวิทยาศาสตร์และอธิบายความเข้าใจผิดที่พบบ่อย เราขอให้ผู้เชี่ยวชาญแสดงความคิดเห็นเกี่ยวกับแนวคิดยอดนิยมเกี่ยวกับโครงสร้างและคุณสมบัติของอะตอม

แบบจำลองของรัทเทอร์ฟอร์ดสอดคล้องกับแนวคิดสมัยใหม่เกี่ยวกับโครงสร้างของอะตอม

นี่เป็นเรื่องจริง แต่บางส่วนแบบจำลองดาวเคราะห์ของอะตอมซึ่งมีอิเล็กตรอนแสงโคจรรอบนิวเคลียสหนัก เช่น ดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์ ถูกเสนอโดยเออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด ในปี พ.ศ. 2454 หลังจากที่นิวเคลียสถูกค้นพบในห้องทดลองของเขา ด้วยการระดมยิงอนุภาคอัลฟ่าบนแผ่นฟอยล์โลหะ นักวิทยาศาสตร์พบว่าอนุภาคส่วนใหญ่ทะลุผ่านฟอยล์ได้ เช่นเดียวกับแสงที่ส่องผ่านกระจก อย่างไรก็ตาม มีเพียงส่วนเล็กๆ เท่านั้น - ประมาณหนึ่งใน 8,000 - สะท้อนกลับไปยังแหล่งที่มา รัทเทอร์ฟอร์ดอธิบายผลลัพธ์เหล่านี้โดยข้อเท็จจริงที่ว่ามวลไม่ได้กระจายเท่าๆ กันในสสาร แต่กระจุกตัวอยู่ใน "กลุ่ม" ซึ่งเป็นนิวเคลียสของอะตอมที่มีประจุบวกซึ่งขับไล่อนุภาคแอลฟาที่มีประจุบวก อิเล็กตรอนที่มีประจุลบเบาจะหลีกเลี่ยงการ "ตก" ไปยังนิวเคลียสโดยการหมุนรอบพวกมันเพื่อให้แรงเหวี่ยงหนีศูนย์สร้างความสมดุลให้กับแรงดึงดูดของไฟฟ้าสถิต

ว่ากันว่าหลังจากประดิษฐ์แบบจำลองนี้ขึ้นมา รัทเทอร์ฟอร์ดก็อุทานว่า “ตอนนี้ฉันรู้แล้วว่าอะตอมมีหน้าตาเป็นอย่างไร!” อย่างไรก็ตาม ในไม่ช้า หลังจากได้รับแรงบันดาลใจ รัทเทอร์ฟอร์ดก็ตระหนักถึงธรรมชาติที่มีข้อบกพร่องของความคิดของเขา การหมุนรอบนิวเคลียส อิเล็กตรอนจะสร้างสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กสลับกันรอบๆ ตัวมันเอง สนามเหล่านี้เดินทางด้วยความเร็วแสงในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และคลื่นดังกล่าวก็นำพลังงานไปด้วย! ปรากฎว่าเมื่อหมุนรอบนิวเคลียส อิเล็กตรอนจะสูญเสียพลังงานอย่างต่อเนื่องและตกลงสู่นิวเคลียสภายในหนึ่งในพันล้านของวินาที (คำถามอาจเกิดขึ้นว่าข้อโต้แย้งเดียวกันนี้สามารถนำไปใช้กับดาวเคราะห์ในระบบสุริยะได้หรือไม่: ทำไมพวกมันไม่ตกบนดวงอาทิตย์ คำตอบ: คลื่นความโน้มถ่วง (ถ้ามีอยู่เลย) จะอ่อนกว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามาก และ พลังงานที่สะสมอยู่ในดาวเคราะห์นั้นมีมากกว่าอิเล็กตรอนมาก ดังนั้น "พลังงานสำรอง" ของดาวเคราะห์จึงมีขนาดนานกว่ามาก)

รัทเทอร์ฟอร์ดมอบหมายให้นีลส์ บอร์ นักทฤษฎีหนุ่มผู้ร่วมงานของเขา ทำหน้าที่แก้ไขข้อขัดแย้ง หลังจากทำงานมาเป็นเวลาสองปี Bohr ก็พบวิธีแก้ปัญหาบางส่วน เขาตั้งสมมติฐานว่าในบรรดาวงโคจรที่เป็นไปได้ทั้งหมดของอิเล็กตรอน มีวงโคจรที่อิเล็กตรอนสามารถคงอยู่ได้นานโดยไม่ปล่อยออกมา อิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่จากวงโคจรที่อยู่นิ่งหนึ่งไปยังอีกวงหนึ่งได้ ในขณะที่ดูดซับหรือปล่อยควอนตัมของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าด้วยพลังงานเท่ากับค่าความต่างของพลังงานของวงโคจรทั้งสอง ด้วยการใช้หลักการเริ่มต้นของฟิสิกส์ควอนตัมซึ่งถูกค้นพบแล้วในเวลานั้น Bohr สามารถคำนวณพารามิเตอร์ของวงโคจรที่อยู่นิ่งและพลังงานของควอนตัมการแผ่รังสีที่สอดคล้องกับการเปลี่ยนภาพ พลังงานเหล่านี้ถูกวัดโดยใช้วิธีสเปกโทรสโกปีในเวลานั้น และการทำนายทางทฤษฎีของบอร์ก็เกือบจะสมบูรณ์แบบกับผลลัพธ์ของการวัดเหล่านี้!

แม้ว่าผลลัพธ์จะได้รับชัยชนะ แต่ทฤษฎีของบอร์แทบไม่ได้ให้ความกระจ่างแก่ประเด็นฟิสิกส์อะตอมเลย เนื่องจากเป็นทฤษฎีกึ่งประจักษ์ แม้ว่าจะยืนยันว่ามีวงโคจรที่อยู่นิ่ง แต่ก็ไม่ได้อธิบายลักษณะทางกายภาพของพวกมันแต่อย่างใด การชี้แจงปัญหาอย่างละเอียดต้องใช้เวลาอีกอย่างน้อยสองทศวรรษ ในระหว่างนั้นกลศาสตร์ควอนตัมได้รับการพัฒนาให้เป็นทฤษฎีฟิสิกส์เชิงบูรณาการที่เป็นระบบ

ภายในกรอบของทฤษฎีนี้ อิเล็กตรอนอยู่ภายใต้หลักการความไม่แน่นอน และไม่ได้อธิบายโดยจุดวัตถุ เช่น ดาวเคราะห์ แต่โดยฟังก์ชันคลื่นที่ "เปื้อน" ตลอดวงโคจรของมัน ในแต่ละช่วงเวลาจะอยู่ในสถานะซ้อนทับซึ่งสอดคล้องกับทุกจุดของวงโคจร เนื่องจากความหนาแน่นของการกระจายมวลในอวกาศ ซึ่งกำหนดโดยฟังก์ชันคลื่น ไม่ได้ขึ้นอยู่กับเวลา สนามแม่เหล็กไฟฟ้ากระแสสลับจึงไม่ถูกสร้างขึ้นรอบๆ อิเล็กตรอน ไม่มีการสูญเสียพลังงาน

ดังนั้นแบบจำลองดาวเคราะห์จึงทำให้เห็นภาพอะตอมได้อย่างแท้จริง - รัทเทอร์ฟอร์ดพูดถูกในเครื่องหมายอัศเจรีย์ อย่างไรก็ตาม ไม่ได้อธิบายวิธีการทำงานของอะตอม เนื่องจากโครงสร้างมีความซับซ้อนและลึกกว่าที่รัทเธอร์ฟอร์ดจำลองไว้มาก

โดยสรุป ฉันสังเกตว่า "ตำนาน" ของแบบจำลองดาวเคราะห์เป็นศูนย์กลางของละครทางปัญญาที่ก่อให้เกิดจุดเปลี่ยนในฟิสิกส์เมื่อร้อยปีก่อน และส่วนใหญ่หล่อหลอมวิทยาศาสตร์นี้ในรูปแบบสมัยใหม่

อเล็กซานเดอร์ ลวอฟสกี้

ปริญญาเอกสาขาฟิสิกส์ศาสตราจารย์คณะฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยคาลการีหัวหน้ากลุ่มวิทยาศาสตร์สมาชิกของสภาวิทยาศาสตร์ของ Russian Quantum Centre บรรณาธิการวารสารวิทยาศาสตร์ Optics Express

สามารถควบคุมแต่ละอะตอมได้

นี่เป็นเรื่องจริงแน่นอนคุณทำได้ ทำไมจะไม่ได้ล่ะ? คุณสามารถควบคุมพารามิเตอร์ต่างๆ ของอะตอมได้ และอะตอมก็มีพารามิเตอร์ต่างๆ มากมาย โดยมีตำแหน่งในอวกาศ ความเร็ว และยังมีระดับความเป็นอิสระภายในอีกด้วย ระดับความเป็นอิสระภายในกำหนดคุณสมบัติทางแม่เหล็กและไฟฟ้าของอะตอม เช่นเดียวกับความเต็มใจที่จะปล่อยแสงหรือคลื่นวิทยุ ขึ้นอยู่กับสถานะภายในของอะตอม อะตอมอาจมีปฏิกิริยามากหรือน้อยในการชนและปฏิกิริยาเคมี เปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของอะตอมโดยรอบ และการตอบสนองต่อสนามภายนอกขึ้นอยู่กับสถานะภายใน ตัวอย่างเช่นในทางการแพทย์ พวกเขาใช้สิ่งที่เรียกว่าก๊าซโพลาไรซ์เพื่อสร้างโทโมแกรมของปอด - ในก๊าซดังกล่าวอะตอมทั้งหมดจะอยู่ในสถานะภายในเดียวกันซึ่งช่วยให้พวกเขา "เห็น" ปริมาตรที่พวกเขาเติมตามการตอบสนองของพวกเขา

การควบคุมความเร็วของอะตอมหรือตำแหน่งของอะตอมนั้นไม่ใช่เรื่องยากนัก การเลือกอะตอมเพียงอะตอมเดียวสำหรับการควบคุมนั้นยากกว่ามาก แต่ก็สามารถทำได้เช่นกัน หนึ่งในแนวทางในการแยกอะตอมดังกล่าวเกิดขึ้นได้โดยใช้การระบายความร้อนด้วยเลเซอร์ สำหรับการควบคุม จะสะดวกเสมอที่จะมีตำแหน่งเริ่มต้นที่ทราบ จะค่อนข้างดีถ้าอะตอมยังไม่เคลื่อนที่ การระบายความร้อนด้วยเลเซอร์ช่วยให้คุณบรรลุทั้งสองอย่าง จำกัด อะตอมในอวกาศและทำให้เย็นลงนั่นคือลดความเร็วลงจนเกือบเป็นศูนย์ หลักการของการทำความเย็นด้วยเลเซอร์นั้นเหมือนกับของเครื่องบินเจ็ท เพียงอย่างหลังเท่านั้นที่ปล่อยกระแสก๊าซเพื่อเร่งความเร็ว และในกรณีแรก ในทางกลับกัน อะตอมจะดูดซับกระแสโฟตอน (อนุภาคแสง) และชะลอตัวลง . เทคนิคการทำความเย็นด้วยเลเซอร์สมัยใหม่สามารถทำความเย็นอะตอมนับล้านตามความเร็วในการเดินหรือต่ำกว่าได้ จากนั้นกับดักแบบพาสซีฟหลายประเภทก็เข้ามามีบทบาท เช่น กับดักแบบไดโพล หากการทำความเย็นด้วยเลเซอร์ใช้สนามแสงที่อะตอมดูดซับอย่างแข็งขัน จากนั้นเพื่อเก็บไว้ในกับดักไดโพล ความถี่ของแสงจะถูกเลือกให้ห่างจากการดูดกลืนใดๆ ปรากฎว่าแสงเลเซอร์ที่มีการโฟกัสสูงสามารถโพลาไรซ์อนุภาคขนาดเล็กและเม็ดฝุ่น และดึงพวกมันเข้าสู่บริเวณที่มีความเข้มของแสงมากที่สุด อะตอมก็ไม่มีข้อยกเว้นและถูกดึงเข้าสู่บริเวณสนามที่แข็งแกร่งที่สุดด้วย ปรากฎว่าหากคุณเน้นแสงให้แน่นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ก็จะสามารถกักขังอะตอมได้เพียงอะตอมเดียวเท่านั้น ความจริงก็คือถ้าอันที่สองตกอยู่ในกับดักมันจะถูกกดอย่างแน่นหนากับอันแรกจนพวกมันก่อตัวเป็นโมเลกุลและในเวลาเดียวกันก็หลุดออกจากกับดัก อย่างไรก็ตาม การโฟกัสที่คมชัดดังกล่าวไม่ใช่วิธีเดียวที่จะแยกอะตอมเดี่ยวๆ ได้ คุณยังสามารถใช้คุณสมบัติของปฏิสัมพันธ์ของอะตอมกับตัวสะท้อนสำหรับอะตอมที่มีประจุ ไอออน คุณสามารถใช้สนามไฟฟ้าเพื่อจับและยึดไอออนได้หนึ่งตัว และอื่น ๆ เป็นไปได้ที่จะกระตุ้นอะตอมหนึ่งจากกลุ่มอะตอมที่ค่อนข้างจำกัดให้กลายเป็นสภาวะที่เรียกว่าริดเบิร์กที่มีความตื่นเต้นอย่างมาก อะตอมซึ่งครั้งหนึ่งเคยตื่นเต้นในสภาวะริดเบิร์ก ขัดขวางความเป็นไปได้ที่เพื่อนบ้านจะกระตุ้นให้อยู่ในสถานะเดียวกัน และหากปริมาตรที่มีอะตอมน้อยพอ ก็จะเป็นเพียงอะตอมเดียวเท่านั้น

ไม่ทางใดก็ทางหนึ่ง เมื่ออะตอมถูกจับ มันก็สามารถควบคุมได้ สถานะภายในสามารถเปลี่ยนแปลงได้ด้วยแสงและสนามความถี่วิทยุโดยใช้ความถี่ที่ต้องการและโพลาไรซ์ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า มีความเป็นไปได้ที่จะถ่ายโอนอะตอมไปยังสถานะที่กำหนดไว้ล่วงหน้า ไม่ว่าจะเป็นสถานะใดระดับหนึ่งหรือการซ้อนทับกัน คำถามเดียวคือความพร้อมใช้งานของความถี่ที่ต้องการและความสามารถในการสร้างพัลส์ควบคุมที่สั้นและทรงพลังเพียงพอ เมื่อเร็ว ๆ นี้มีความเป็นไปได้ที่จะควบคุมอะตอมได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นโดยทำให้พวกเขาอยู่ใกล้กับโครงสร้างนาโนซึ่งไม่เพียงช่วยให้ "พูดคุย" กับอะตอมได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นเท่านั้น แต่ยังใช้อะตอมด้วย - แม่นยำยิ่งขึ้นในสถานะภายในของมัน - เพื่อ ควบคุมการไหลของแสงและในอนาคตบางที และเพื่อวัตถุประสงค์ในการคำนวณ

การควบคุมตำแหน่งของอะตอมที่กับดักจับอยู่นั้นเป็นงานที่ง่ายมาก เพียงแค่ขยับกับดักเอง ในกรณีของกับดักไดโพล ให้ขยับลำแสง ซึ่งสามารถทำได้ เช่น ขยับกระจกเพื่อแสดงแสงเลเซอร์ อะตอมสามารถได้รับความเร็วอีกครั้งในลักษณะปฏิกิริยา - ถูกบังคับให้ดูดซับแสง และไอออนสามารถถูกเร่งได้อย่างง่ายดายด้วยสนามไฟฟ้า เช่นเดียวกับที่ทำในหลอดรังสีแคโทด ตามหลักการแล้ว ทุกวันนี้ อะไรก็ตามที่อะตอมทำได้ ก็แค่เรื่องของเวลาและความพยายามเท่านั้น

อเล็กเซย์ อาคิมอฟ

อะตอมนั้นแบ่งแยกไม่ได้

จริงบางส่วนไม่จริงบางส่วนวิกิพีเดียให้คำจำกัดความต่อไปนี้: “อะตอม (จากภาษากรีกโบราณ ἄτομος - แบ่งแยกไม่ได้, ไม่ได้เจียระไน) เป็นอนุภาคของสสารที่มีขนาดและมวลจุลทรรศน์ ซึ่งเป็นส่วนที่เล็กที่สุดขององค์ประกอบทางเคมีซึ่งเป็นผู้ถือคุณสมบัติของมัน อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสของอะตอมและอิเล็กตรอน"

ทุกวันนี้ ผู้มีการศึกษาคนใดก็ตามจินตนาการถึงอะตอมในแบบจำลองของรัทเทอร์ฟอร์ด ซึ่งแสดงโดยย่อด้วยประโยคสุดท้ายของคำจำกัดความที่ยอมรับกันโดยทั่วไป ดูเหมือนว่าคำตอบสำหรับคำถาม/ความเชื่อผิด ๆ ที่ปรากฏนั้นชัดเจน: อะตอมเป็นวัตถุประกอบและซับซ้อน อย่างไรก็ตาม สถานการณ์ยังไม่ชัดเจนนัก นักปรัชญาโบราณค่อนข้างใส่คำจำกัดความของอะตอมถึงความหมายของการมีอยู่ของอนุภาคมูลฐานและแบ่งแยกไม่ได้และไม่น่าจะเชื่อมโยงปัญหากับโครงสร้างขององค์ประกอบของตารางธาตุ ในอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด เราพบอนุภาคดังกล่าวจริงๆ มันคืออิเล็กตรอน

อิเล็กตรอนตามแนวคิดสมัยใหม่เข้ากับสิ่งที่เรียกว่า

“>แบบจำลองมาตรฐานคือจุดที่สถานะอธิบายตามตำแหน่งและความเร็ว สิ่งสำคัญคือการระบุคุณลักษณะทางจลนศาสตร์เหล่านี้พร้อมกันนั้นเป็นไปไม่ได้เนื่องจากหลักการความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก แต่เมื่อพิจารณาเพียงหนึ่งในนั้น เช่น พิกัด จึงสามารถกำหนดได้ด้วยความแม่นยำสูงตามอำเภอใจ

เป็นไปได้หรือไม่ที่ใช้เทคโนโลยีการทดลองสมัยใหม่ในการพยายามจำกัดตำแหน่งของอิเล็กตรอนในขนาดที่เล็กกว่าขนาดอะตอม (~0.5 * 10-8 ซม.) อย่างมาก และตรวจสอบความเหมือนจุดของมัน ปรากฎว่าหากคุณพยายามจำกัดตำแหน่งอิเล็กตรอนในระดับความยาวคลื่นที่เรียกว่าคอมป์ตัน ซึ่งเล็กกว่าขนาดของอะตอมไฮโดรเจนประมาณ 137 เท่า อิเล็กตรอนจะมีปฏิกิริยากับปฏิสสารของมัน และระบบจะไม่เสถียร

ความแหลมและการแบ่งแยกไม่ได้ของอิเล็กตรอนและอนุภาคมูลฐานอื่นๆ ของสสารเป็นองค์ประกอบสำคัญของหลักการของการกระทำระยะสั้นในทฤษฎีสนามและมีอยู่ในสมการพื้นฐานทั้งหมดที่อธิบายธรรมชาติ ดังนั้นนักปรัชญาสมัยโบราณจึงอยู่ไม่ไกลจากความจริงในการสันนิษฐานว่ามีอนุภาคของสสารที่แบ่งแยกไม่ได้

มิทรี คูปรียานอฟ

วิทยาศาสตรดุษฎีบัณฑิต สาขาฟิสิกส์และคณิตศาสตร์ ศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยโพลีเทคนิคแห่งรัฐเซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก หัวหน้า ภาควิชาฟิสิกส์เชิงทฤษฎี SPbSPU

วิทยาศาสตร์ยังไม่รู้เรื่องนี้แบบจำลองอะตอมของดาวเคราะห์ของรัทเทอร์ฟอร์ดสันนิษฐานว่าอิเล็กตรอนโคจรรอบนิวเคลียสของอะตอม เช่นเดียวกับดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดวงอาทิตย์ ในเวลาเดียวกัน เป็นเรื่องปกติที่จะถือว่าอิเล็กตรอนเป็นอนุภาคทรงกลมที่เป็นของแข็ง แบบจำลองคลาสสิกของรัทเทอร์ฟอร์ดมีความขัดแย้งภายใน แน่นอนว่าอนุภาคที่มีประจุเร่ง (อิเล็กตรอน) ที่เคลื่อนที่จะสูญเสียพลังงานเนื่องจากการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าและตกลงไปที่นิวเคลียสของอะตอมในที่สุด

Niels Bohr เสนอให้ห้ามกระบวนการนี้และแนะนำข้อกำหนดบางประการสำหรับรัศมีของวงโคจรที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ แบบจำลองปรากฏการณ์วิทยาของบอร์ทำให้เกิดแบบจำลองควอนตัมของอะตอมซึ่งพัฒนาโดยไฮเซนเบิร์ก และแบบจำลองอะตอมของควอนตัมแต่มองเห็นได้ชัดเจนกว่า ซึ่งเสนอโดยชโรดิงเงอร์ ในแบบจำลองชโรดิงเงอร์ อิเล็กตรอนไม่ใช่ลูกบอลที่บินในวงโคจรอีกต่อไป แต่เป็นคลื่นนิ่งที่แขวนอยู่เหนือนิวเคลียสของอะตอมเหมือนกับเมฆ รูปร่างของ “เมฆ” เหล่านี้อธิบายได้ด้วยฟังก์ชันคลื่นที่ชโรดิงเงอร์แนะนำ

คำถามเกิดขึ้นทันที: ความหมายทางกายภาพของฟังก์ชันคลื่นคืออะไร? แม็กซ์ บอร์นเสนอคำตอบ: โมดูลัสกำลังสองของฟังก์ชันคลื่นคือความน่าจะเป็นในการค้นหาอิเล็กตรอนที่จุดที่กำหนดในอวกาศ และนี่คือจุดเริ่มต้นของความยากลำบาก คำถามเกิดขึ้น: การค้นหาอิเล็กตรอน ณ จุดที่กำหนดในอวกาศหมายความว่าอย่างไร ไม่ควรเข้าใจคำกล่าวของบอร์นว่าเป็นการยอมรับว่าอิเล็กตรอนเป็นลูกบอลเล็กๆ ที่บินไปตามวิถีที่แน่นอน และอาจถูกจับได้ที่จุดใดจุดหนึ่งในวิถีนี้ด้วยความน่าจะเป็นที่แน่นอน

นี่เป็นมุมมองที่ชัดเจนของชโรดิงเงอร์และอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ซึ่งมาร่วมกับเขาในประเด็นนี้ พวกเขาถูกคัดค้านโดยนักฟิสิกส์ของโรงเรียนโคเปนเฮเกน - Niels Bohr และ Werner Heisenberg ผู้ซึ่งแย้งว่าระหว่างการวัดอิเล็กตรอนนั้นไม่มีอยู่จริงซึ่งหมายความว่ามันไม่สมเหตุสมผลที่จะพูดถึงวิถีการเคลื่อนที่ของมัน การอภิปรายระหว่างบอร์และไอน์สไตน์เกี่ยวกับการตีความกลศาสตร์ควอนตัมมีบันทึกไว้ในประวัติศาสตร์ ดูเหมือนว่า Bohr จะเป็นผู้ชนะ: เขาจัดการได้แม้จะไม่ชัดเจนมากนักในการหักล้างความขัดแย้งทั้งหมดที่ไอน์สไตน์กำหนดขึ้น และแม้กระทั่งความขัดแย้งอันโด่งดังของ "แมวของชโรดิงเงอร์" ซึ่งก่อตั้งโดยชโรดิงเงอร์ในปี 1935 เป็นเวลาหลายทศวรรษแล้วที่นักฟิสิกส์ส่วนใหญ่เห็นด้วยกับบอร์ว่าสิ่งสำคัญไม่ใช่ความจริงตามวัตถุประสงค์ที่มอบให้เราด้วยความรู้สึก ดังที่คาร์ล มาร์กซ์สอน แต่เป็นสิ่งที่เกิดขึ้นเฉพาะในช่วงเวลาของการสังเกตเท่านั้น และไม่มีอยู่จริงหากไม่มีผู้สังเกตการณ์ เป็นที่น่าสนใจว่าในสมัยโซเวียต แผนกปรัชญาในมหาวิทยาลัยสอนว่ามุมมองดังกล่าวเป็นอุดมคติเชิงอัตวิสัย นั่นคือแนวโน้มที่ขัดแย้งกับลัทธิวัตถุนิยม - ปรัชญาของมาร์กซ์ เองเกลส์ เลนิน และไอน์สไตน์ ในเวลาเดียวกันที่แผนกฟิสิกส์ นักเรียนได้รับการสอนว่าแนวคิดของโรงเรียนโคเปนเฮเกนเป็นแนวคิดที่ถูกต้องเท่านั้น (อาจเป็นเพราะ Lev Landau นักฟิสิกส์ทฤษฎีโซเวียตที่มีชื่อเสียงที่สุดเป็นของโรงเรียนนี้)

ในขณะนี้ความคิดเห็นของนักฟิสิกส์มีการแบ่งแยก ในด้านหนึ่ง การตีความกลศาสตร์ควอนตัมของโคเปนเฮเกนยังคงได้รับความนิยม ความพยายามในการทดลองตรวจสอบความถูกต้องของการตีความนี้ (ตัวอย่างเช่น การตรวจสอบที่ประสบความสำเร็จของสิ่งที่เรียกว่าความไม่เท่าเทียมกันของเบลล์โดยนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส Alain Aspe) ได้รับการอนุมัติอย่างเป็นเอกฉันท์จากชุมชนวิทยาศาสตร์ ในทางกลับกัน นักทฤษฎีค่อนข้างสบายใจที่จะอภิปรายทฤษฎีทางเลือก เช่น ทฤษฎีโลกคู่ขนาน เมื่อกลับมาที่อิเล็กตรอนก็บอกได้เลยว่าโอกาสที่ลูกบิลเลียดจะเหลืออยู่นั้นยังไม่สูงมาก ในขณะเดียวกันก็แตกต่างจากศูนย์ ในช่วงทศวรรษที่ 20 ของศตวรรษที่ 20 มันเป็นแบบจำลองบิลเลียดของการกระเจิงของคอมป์ตันที่ทำให้สามารถพิสูจน์ได้ว่าแสงประกอบด้วยควอนตัม - โฟตอน ในปัญหาต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับอุปกรณ์ที่สำคัญและมีประโยชน์ (ไดโอด ทรานซิสเตอร์) จะสะดวกที่จะคิดว่าอิเล็กตรอนเป็นลูกบิลเลียด ธรรมชาติของคลื่นของอิเล็กตรอนมีความสำคัญในการอธิบายผลกระทบที่ละเอียดยิ่งขึ้น เช่น ความต้านทานสนามแม่เหล็กเชิงลบของโลหะ

คำถามเชิงปรัชญาที่ว่าลูกบอลอิเล็กตรอนมีอยู่ระหว่างการวัดหรือไม่นั้นไม่ได้มีความสำคัญอย่างยิ่งในชีวิตปกติ อย่างไรก็ตาม คำถามนี้ยังคงเป็นปัญหาที่ร้ายแรงที่สุดประการหนึ่งของฟิสิกส์ยุคใหม่

อเล็กเซย์ คาโวคิน

ผู้สมัครสาขาวิทยาศาสตร์กายภาพและคณิตศาสตร์ ศาสตราจารย์แห่งมหาวิทยาลัยเซาแธมป์ตัน หัวหน้ากลุ่มควอนตัมโพลาริโทนิกส์ของศูนย์ควอนตัมรัสเซีย ผู้อำนวยการด้านวิทยาศาสตร์ของสถาบันฟิสิกส์พื้นฐานเมดิเตอร์เรเนียน (อิตาลี)

อะตอมสามารถถูกทำลายได้อย่างสมบูรณ์

นี่เป็นเรื่องจริงการพังไม่ใช่การสร้าง คุณสามารถทำลายทุกสิ่งได้ รวมถึงอะตอม ด้วยระดับความสมบูรณ์เท่าใดก็ได้ ในการประมาณครั้งแรก อะตอมคือนิวเคลียสที่มีประจุบวกล้อมรอบด้วยอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ การทำลายล้างประการแรกที่สามารถทำได้กับอะตอมคือการฉีกอิเล็กตรอนออกจากอะตอม ซึ่งสามารถทำได้หลายวิธี: คุณสามารถเน้นการแผ่รังสีเลเซอร์อันทรงพลังไปที่มัน หรือคุณสามารถฉายรังสีด้วยอิเล็กตรอนเร็วหรืออนุภาคเร็วอื่น ๆ อะตอมที่สูญเสียอิเล็กตรอนไปบางส่วนเรียกว่าไอออน อยู่ในสถานะนี้อะตอมอยู่ในดวงอาทิตย์ซึ่งมีอุณหภูมิสูงมากจนเป็นไปไม่ได้เลยที่อะตอมจะเก็บอิเล็กตรอนไว้ในการชนกัน

ยิ่งอะตอมสูญเสียอิเล็กตรอนไปมากเท่าไร การกำจัดส่วนที่เหลือก็จะยิ่งยากขึ้นเท่านั้น อะตอมจะมีอิเล็กตรอนมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับเลขอะตอม โดยทั่วไปอะตอมของไฮโดรเจนจะมีอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียว และมักจะสูญเสียมันไปแม้ภายใต้สภาวะปกติ และไฮโดรเจนเองที่สูญเสียอิเล็กตรอนไปเองซึ่งเป็นตัวกำหนด pH ของน้ำ อะตอมของฮีเลียมมีอิเล็กตรอนสองตัว และในสถานะแตกตัวเป็นไอออนอย่างสมบูรณ์เรียกว่าอนุภาคอัลฟา ซึ่งเป็นอนุภาคประเภทที่เราคาดหวังจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์มากกว่าจากน้ำธรรมดา อะตอมที่มีอิเล็กตรอนจำนวนมากต้องการพลังงานมากขึ้นเพื่อกำจัดอิเล็กตรอนทั้งหมด แต่ถึงกระนั้น ก็เป็นไปได้ที่จะกำจัดอิเล็กตรอนทั้งหมดออกจากอะตอมใดก็ได้

หากอิเล็กตรอนทั้งหมดถูกฉีกออก นิวเคลียสก็จะยังคงอยู่ แต่ก็สามารถถูกทำลายได้เช่นกัน นิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน (โดยทั่วไปคือฮาดรอน) และถึงแม้พวกมันจะเกาะกันอย่างแน่นหนา แต่อนุภาคที่ตกกระทบซึ่งมีพลังงานสูงเพียงพอก็สามารถแยกพวกมันออกจากกันได้ อะตอมหนักซึ่งมีนิวตรอนและโปรตอนมากเกินไปมีแนวโน้มที่จะแตกสลายด้วยตัวเองและปล่อยพลังงานออกมาค่อนข้างมาก - โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ใช้หลักการนี้

แต่แม้ว่าคุณจะทำลายนิวเคลียสและฉีกอิเล็กตรอนทั้งหมดออก อนุภาคดั้งเดิมก็ยังคงอยู่: นิวตรอน โปรตอน อิเล็กตรอน แน่นอนว่าพวกมันสามารถถูกทำลายได้เช่นกัน จริงๆ แล้ว นี่คือสิ่งที่มันทำ ซึ่งเร่งโปรตอนให้มีพลังงานมหาศาล และทำลายพวกมันอย่างสมบูรณ์ในการชนกัน ในกรณีนี้ อนุภาคใหม่จำนวนมากเกิดขึ้นซึ่งเครื่องชนกันศึกษา เช่นเดียวกันสามารถทำได้กับอิเล็กตรอนและอนุภาคอื่นๆ

พลังงานของอนุภาคที่ถูกทำลายจะไม่หายไป แต่จะถูกกระจายไปยังอนุภาคอื่น ๆ และหากมีเพียงพอก็จะเป็นไปไม่ได้ที่จะติดตามอนุภาคดั้งเดิมในทะเลแห่งการเปลี่ยนแปลงใหม่อย่างรวดเร็ว ทุกสิ่งสามารถถูกทำลายได้ไม่มีข้อยกเว้น

อเล็กเซย์ อาคิมอฟ

ผู้สมัครสาขาวิทยาศาสตร์กายภาพและคณิตศาสตร์ หัวหน้ากลุ่ม "Quantum Simulators" ของ Russian Quantum Center อาจารย์ที่ MIPT พนักงานของ Lebedev Physical Institute นักวิจัยที่ Harvard University