Az egyesült államokbeli fizikusoknak rekord felbontású fényképeken sikerült megörökíteniük az egyes atomokat – írja a Day.Az a Vesti.ru-ra hivatkozva.
Az egyesült államokbeli Cornell Egyetem tudósainak rekord felbontású – kevesebb, mint fél angström (0,39 Å) – felbontással sikerült megörökíteniük az egyes atomokat. A korábbi fényképek fele kisebb felbontásúak voltak – 0,98 Å.
Fél évszázada léteznek nagy teljesítményű, atomokat látó elektronmikroszkópok, de felbontásukat a hullámhossz korlátozza látható fény, ami nagyobb, mint egy átlagos atom átmérője.
Ezért a tudósok a lencsék bizonyos analógját használják, amelyek az elektronmikroszkópokban fókuszálják és felnagyítják a képeket - ez egy mágneses mező. A mágneses tér ingadozása azonban torzítja a kapott eredményeket. A torzítások eltávolítására további eszközöket használnak, amelyek korrigálják a mágneses teret, ugyanakkor növelik az elektronmikroszkóp tervezésének összetettségét.
Korábban a Cornell Egyetem fizikusai kifejlesztették az Electron Microscope Pixel Array Detector-t (EMPAD), amely egy összetett generátorrendszert vált ki, amely a bejövő elektronokat egyetlen kis mátrixba fókuszálja, 128x128 pixeles felbontással, amely érzékeny az egyes elektronokra. Minden pixel rögzíti az elektron visszaverődési szögét; Ennek ismeretében a tudósok a ptyakográfia technikáját használják az elektronok jellemzőinek rekonstruálására, beleértve annak a pontnak a koordinátáit, ahonnan kiszabadultak.
Atomok a legnagyobb felbontásban
David A. Muller et al. Természet, 2018.
2018 nyarán a fizikusok úgy döntöttek, hogy a kapott képek minőségét a mai napig rekord felbontásra javítják. A tudósok egy 2D-s anyagot - molibdén-szulfid MoS2-t - rögzítettek egy mozgó sugárhoz, és elektronsugarat bocsátottak ki, és a nyalábot alá fordították. különböző szögekből az elektronforráshoz. Az EMPAD és a ptaikográfia segítségével a tudósok meghatározták az egyes molibdénatomok közötti távolságokat, és rekord felbontású, 0,39 Å képet kaptak.
„Alapvetően a világ legkisebb vonalát hoztuk létre” – magyarázza Sol Gruner, a kísérlet egyik szerzője. A kapott képen 0,39 Å rekordfelbontású kénatomokat lehetett megkülönböztetni. Sőt, még egy olyan helyet is ki lehetett látni, ahol egy ilyen atom hiányzott (nyíl jelezve).
Kénatomok rekordfelbontásban
Magának az atomnak – és nem akármelyik részének – lefényképezése azonban még a legmodernebb eszközökkel is rendkívül nehéz feladatnak tűnt.
A helyzet az, hogy a kvantummechanika törvényei szerint lehetetlen egyformán pontosan meghatározni egy szubatomi részecske összes tulajdonságát. Az elméleti fizika ezen ága a Heisenberg-féle bizonytalansági elvre épül, amely kimondja, hogy egy részecske koordinátáit és impulzusát nem lehet egyenlő pontossággal mérni – az egyik tulajdonság pontos mérése minden bizonnyal megváltoztatja a másikra vonatkozó adatokat.
Ezért a kvantumelmélet a hely (a részecske koordinátáinak) meghatározása helyett az úgynevezett hullámfüggvény mérését javasolja.
A hullámfüggvény nagyjából ugyanúgy működik, mint a hanghullám. A különbség csupán annyi, hogy a hanghullám matematikai leírása határozza meg a molekulák mozgását a levegőben egy adott helyen, a hullámfüggvény pedig a Schrödinger-egyenlet szerint írja le a részecske megjelenésének valószínűségét egy adott helyen.
A hullámfüggvény mérése is nehéz (a közvetlen megfigyelések összeomlásához vezetnek), de az elméleti fizikusok nagyjából meg tudják jósolni az értékeit.
A hullámfüggvény összes paraméterének kísérleti mérése csak akkor lehetséges, ha azt teljesen azonos atom- vagy molekularendszereken végzett külön roncsolásos mérésekből gyűjtjük össze.
A holland AMOLF kutatóintézet fizikusai egy új módszert mutattak be, amely nem igényel „átalakítást”, és munkájuk eredményét a Physical Review Letters folyóiratban publikálták. Technikájuk az 1981-es hipotézisen alapul három éves szovjet elméleti fizikusok, valamint a későbbi kutatások.
A kísérlet során egy tudóscsoport két lézersugarat irányított egy speciális kamrában elhelyezett hidrogénatomokra. A becsapódás következtében az elektronok a hullámfüggvényeik által meghatározott sebességgel és irányban hagyták el pályájukat. Erős elektromos mező hidrogénatomokat tartalmazó kamrában elektronokat irányított a sík (lapos) detektor egyes részeire.
A detektorba ütköző elektronok helyzetét a kezdeti sebességük határozta meg, nem a kamrában elfoglalt helyzetük. Így az elektronok eloszlása a detektoron elárulta a tudósoknak e részecskék hullámfüggvényét, amikor elhagyták a hidrogénatom atommagja körüli pályájukat.
Az elektronok mozgását egy foszforeszkáló képernyőn jelenítették meg sötét és világos gyűrűk formájában, amelyeket a tudósok nagy felbontású digitális fényképezőgéppel fényképeztek le.
"Nagyon elégedettek vagyunk az eredményeinkkel. A kvantummechanikának nagyon kevés köze van mindennapi élet Az embereknek aligha jutna eszébe valódi fényképet készíteni az atomban zajló kvantumkölcsönhatásokról” – mondja Aneta Stodolna, a tanulmány vezető szerzője. Amellett is érvel, hogy a kifejlesztett technikának gyakorlati alkalmazásai is lehetnek, például atomvastagság létrehozására vezetők, a molekuláris huzal technológia fejlesztése, amely jelentősen javítja a modern elektronikai eszközöket.
„Figyelemre méltó, hogy a kísérletet kifejezetten hidrogénnel végezték, amely a világegyetem legegyszerűbb és legelterjedtebb anyaga nagy áttörés, amely lehetővé teszi számunkra, hogy ne csak elektronikát fejleszthessünk, hanem nanotechnológiát is” – mondja Jeff Lundeen, az Ottawai Egyetem munkatársa, aki nem vett részt a tanulmányban.
A kísérletet végző tudósok azonban nem gondolnak a kérdés gyakorlati oldalára. Úgy vélik, hogy felfedezésük elsősorban az alaptudományhoz kapcsolódik, amely segít több tudást átadni a jövő fizikusgenerációinak.
Ezen a képen az elsőt nézed közvetlen kép elektron kering egy atom körül – valójában az atom hullámfüggvénye!
A hidrogénatom pályaszerkezetének fényképezéséhez a kutatók egy korszerű kvantummikroszkópot használtak, egy hihetetlen eszközt, amely lehetővé teszi a tudósok számára, hogy a kvantumfizika birodalmába nézzenek.
A tér pályaszerkezetét egy atomban egy elektron foglalja el. De az anyag ezen mikroszkopikus tulajdonságainak leírásához a tudósok hullámfüggvényekre támaszkodnak – a részecskék kvantumállapotainak matematikai leírására –, nevezetesen arra, hogyan viselkednek térben és időben.
A kvantumfizikában általában olyan képleteket használnak a részecskék állapotának leírására, mint a Schrödinger-egyenlet.
Akadályok a kutatók útján
Eddig a tudósok soha nem figyelték meg a hullámfüggvényt. Egyetlen elektron pontos helyzetét vagy impulzusát megragadni olyan volt, mintha egy légyrajt próbálnánk elkapni. A közvetlen megfigyeléseket egy nagyon kellemetlen jelenség – a kvantumkoherencia – torzította el.
Az összes kvantumállapot méréséhez olyan műszerre van szükség, amely képes többször is megmérni egy részecske állapotát az idő múlásával.
De hogyan lehet növelni egy kvantumrészecske amúgy is mikroszkopikus állapotát? Nemzetközi kutatók egy csoportja megtalálta a választ. Kvantummikroszkóp segítségével, egy olyan eszközzel, amely fotoionizációt használ az atomi szerkezetek közvetlen megfigyelésére.
A Physical Review Letters című népszerű folyóiratban megjelent cikkében Aneta Stodolna, a hollandiai Institute of Molecular Physics (AMOLF) munkatársa leírja, hogyan szerezte meg csapatával a hidrogénatom csomóponti elektronpályáinak szerkezetét statikus elektromos mező.
Munkamódszer
Lézerimpulzusokkal történő besugárzást követően az ionizált elektronok elhagyták pályájukat, és egy mért pálya mentén egy 2D detektorba (kettős mikrocsatornás lemez. A detektor magára a mezőre merőlegesen) kerültek. Számos pálya létezik, amelyek mentén az elektronok haladhatnak, mielőtt ütköznének a detektorral. Ez egy sor interferenciamintázatot biztosít a kutatóknak – olyan modelleket, amelyek tükrözik a hullámfüggvény csomóponti szerkezetét.
A kutatók elektrosztatikus lencsét használtak, amely több mint 20 000-szeresére növeli a kimenő elektronhullámot.
A PostScience megdönti a tudományos mítoszokat, és megmagyarázza a gyakori tévhiteket. Szakértőinket arra kértük, hogy kommentálják az atomok szerkezetével és tulajdonságaival kapcsolatos népszerű elképzeléseket.
Rutherford modellje megfelel az atom szerkezetére vonatkozó modern elképzeléseknek
Ez igaz, de részben. Az atom bolygómodelljét, amelyben a könnyű elektronok a Nap körüli bolygókhoz hasonlóan nehéz atommag körül keringenek, Ernest Rutherford javasolta 1911-ben, miután magát az atommagot felfedezték laboratóriumában. Egy fémfólialapot alfa-részecskékkel bombázva a tudósok azt találták, hogy a részecskék túlnyomó többsége áthaladt a fólián, hasonlóan a fényhez az üvegen. Azonban ezek kis része – körülbelül egy a 8000-ből – visszatükröződött a forráshoz. Rutherford azzal magyarázta ezeket az eredményeket, hogy a tömeg nem egyenletesen oszlik el az anyagban, hanem „csomókban” koncentrálódik - olyan atommagokban, amelyek pozitív töltést hordoznak, és taszítják a pozitív töltésű alfa-részecskéket. A könnyű, negatív töltésű elektronok elkerülik az atommagra "esést" azáltal, hogy körülöttük forognak, így a centrifugális erő egyensúlyba hozza az elektrosztatikus vonzást.
Azt mondják, hogy miután feltalálta ezt a modellt, Rutherford így kiáltott fel: „Most már tudom, hogy néz ki egy atom!” Inspirációját követően azonban Rutherford hamarosan ráébredt ötletének hibás természetére. Az atommag körül forogva az elektron elektromos ill mágneses mező. Ezek a mezők fénysebességgel terjednek elektromágneses hullám formájában. És egy ilyen hullám energiát hordoz magában! Kiderült, hogy az atommag körül forogva az elektron folyamatosan energiát veszít, és a másodperc milliárdod részein belül az atommagra esik. (Felmerülhet a kérdés, hogy ugyanez az érv alkalmazható-e a Naprendszer bolygóira is: miért nem esnek a Napra? Válasz: a gravitációs hullámok, ha egyáltalán léteznek, sokkal gyengébbek, mint az elektromágneses hullámok, és a a bolygókban tárolt energia sokkal nagyobb, mint az elektronokban, így a bolygók „erőtartaléka” sok nagyságrenddel nagyobb.)
Rutherford munkatársát, a fiatal teoretikust, Niels Bohrt bízta meg az ellentmondás feloldásával. Két év munka után Bohr részleges megoldást talált. Feltételezte, hogy az elektronok összes lehetséges pályája között vannak olyanok, amelyeken az elektron hosszú ideig maradhat anélkül, hogy kibocsátana. Az elektron mozoghat egyik álló pályáról a másikra, miközben kvantumot nyel el vagy bocsát ki elektromágneses mező a két pálya közötti energiakülönbséggel egyenlő energiával. A kvantumfizika addigra már felfedezett kezdeti alapelveit felhasználva Bohr ki tudta számítani az állópályák paramétereit, és ennek megfelelően az átmeneteknek megfelelő sugárzási kvantumok energiáit. Ezeket az energiákat addigra spektroszkópiai módszerekkel mérték, és Bohr elméleti előrejelzései szinte tökéletesen egybeestek e mérések eredményeivel!
E diadalmas eredmény ellenére Bohr elmélete aligha tisztázott az atomfizika kérdéskörében, mert félig empirikus volt: miközben az állópályák jelenlétét feltételezte, semmiképpen sem magyarázta meg azok fizikai természetét. A kérdés alapos tisztázása még legalább két évtizedet igényelt, amely alatt a kvantummechanika szisztematikus, integrált fizikai elméletként fejlődött ki.
Ezen elmélet keretein belül az elektronra vonatkozik a bizonytalansági elv, és nem írják le anyagi pont, mint egy bolygó, hanem egy hullámfüggvény „elkenődött” a teljes pályán. Minden időpillanatban a pálya összes pontjának megfelelő állapotok szuperpozíciójában van. Mivel a hullámfüggvény által meghatározott térbeli tömegeloszlási sűrűség nem függ az időtől, az elektron körül nem jön létre váltakozó elektromágneses tér; nincs energiaveszteség.
Így a bolygómodell valódi vizuális ábrázolást ad arról, hogyan néz ki egy atom – Rutherfordnak igaza volt a felkiáltásában. Azonban nem magyarázza meg az atom működését: a szerkezet sokkal összetettebb és mélyebb, mint amit Rutherford modellezett.
Végezetül megjegyzem, hogy a bolygómodell „mítosza” annak az intellektuális drámának a középpontjában áll, amely száz évvel ezelőtt fordulópontot hozott a fizikában, és nagyrészt formálta ezt a tudományt modern formájában.
Alekszandr Lvovszkij
PhD fizikából, a Calgaryi Egyetem Fizikai Karának professzora, a tudományos csoport vezetője, az Orosz Kvantumközpont Tudományos Tanácsának tagja, az Optics Express tudományos folyóirat szerkesztője
Az egyes atomok szabályozhatók
Ez igaz. Persze lehet, miért ne? Egy atomnak különböző paramétereit lehet szabályozni, és egy atomnak elég sok van belőlük: van helye a térben, sebessége, és vannak belső szabadsági fokai is. A belső szabadsági fokok határozzák meg az atom mágneses és elektromos tulajdonságait, valamint fény- vagy rádióhullámok kibocsátási hajlandóságát. Az atom belső állapotától függően többé-kevésbé aktív lehet az ütközésekben, kémiai reakciókban, megváltoztathatja a környező atomok tulajdonságait, és a külső mezőkre adott válasza a belső állapotától függ. Az orvostudományban például úgynevezett polarizált gázokat használnak a tüdő tomogramjainak összeállítására - az ilyen gázokban minden atom ugyanabban a belső állapotban van, ami lehetővé teszi számukra, hogy válaszukkal „lássák” azt a térfogatot, amelyet kitöltenek.
Nem olyan nehéz szabályozni egy atom sebességét vagy helyzetét, sokkal nehezebb pontosan egy atomot kiválasztani. De ezt is meg lehet tenni. Az ilyen atomleválasztás egyik megközelítése lézeres hűtés alkalmazásával valósul meg. A vezérléshez mindig jó, ha ismerjük a kezdeti pozíciót, jó, ha az atom még nem mozog. A lézeres hűtés lehetővé teszi mindkettő elérését, az atomok lokalizálását a térben és hűtését, azaz sebességük majdnem nullára csökkentését. A lézeres hűtés elve megegyezik a sugárhajtású repülőgépével, csak az utóbbi gázáramot bocsát ki a gyorsulás érdekében, és az első esetben az atom éppen ellenkezőleg, elnyeli a fotonok (fényrészecskék) áramlását és lelassul. . A modern lézeres hűtési technikák atomok millióit hűthetik le járási sebességre vagy az alatti sebességre. Ekkor különféle passzív csapdák lépnek életbe, például a dipóluscsapda. Ha a lézeres hűtés olyan fényteret használ, amelyet az atom aktívan elnyel, akkor a dipóluscsapdában tartásához a fény frekvenciáját az abszorpciótól távol kell megválasztani. Kiderült, hogy az erősen fókuszált lézerfény képes a kis részecskéket és porszemcséket polarizálni, és a legnagyobb fényintenzitású tartományba vonni. Az atom sem kivétel, és szintén a legerősebb mező tartományába kerül. Kiderült, hogy ha a fényt a lehető legszorosabban fókuszálja, akkor csak pontosan egy atomot lehet tartani egy ilyen csapdában. A helyzet az, hogy ha egy második beleesik a csapdába, akkor kiderül, hogy olyan szorosan hozzá van nyomva az elsőhöz, hogy molekulát alkotnak, és ugyanakkor kiesnek a csapdából. Az ilyen éles fókuszálás azonban nem az egyetlen módja egy atom elkülönítésének, az atom és a rezonátor kölcsönhatásának tulajdonságait is felhasználhatja töltött atomokra, ionokra, elektromos mezőkkel pontosan egy iont rögzíthet és tarthat, és így tovább. Még az is lehetséges, hogy egy atomot egy meglehetősen korlátozott atomhalmazban egy nagyon erősen gerjesztett, úgynevezett Rydberg állapotba gerjesztünk. A Rydberg állapotba gerjesztett atom blokkolja annak lehetőségét, hogy szomszédai ugyanabba az állapotba kerüljenek, és ha az atomok térfogata elég kicsi, akkor ez lesz az egyetlen.
Így vagy úgy, ha egy atomot befogtak, akkor irányítható. A belső állapot fény- és rádiófrekvenciás mezőkkel változtatható az elektromágneses hullám kívánt frekvenciájával és polarizációjával. Lehetőség van egy atomot bármilyen előre meghatározott állapotba átvinni, legyen az egy bizonyos állapot - egy szint vagy azok szuperpozíciója. A kérdés csak a szükséges frekvenciák elérhetősége, valamint a kellően rövid és erős vezérlőimpulzusok készítésének képessége. IN utóbbi időben lehetővé vált az atomok hatékonyabb szabályozása a nanostruktúrák közelében tartása révén, ami lehetővé teszi nemcsak az atommal való hatékonyabb „beszélgetést”, hanem magát az atomot - pontosabban belső állapotait - az ellenőrzésre. a fény áramlását, és a jövőben talán számítástechnikai célokra.
A csapda által tartott atom helyzetének szabályozása meglehetősen szűk egyszerű feladat- csak mozgassa magát a csapdát. Dipóluscsapda esetén mozgassuk a fénysugarat, amit például mozgó tükrökkel is megtehetünk lézershow-hoz. Az atomnak ismét reaktív módon – fényelnyelésre kényszerülve – sebességet lehet adni, az iont pedig elektromos térrel könnyen fel lehet gyorsítani, akárcsak a katódsugárcsöveknél. Tehát ma elvileg bármit meg lehet csinálni egy atommal, csak idő és erőfeszítés kérdése.
Alekszej Akimov
Az atom oszthatatlan
Részben igaz, részben nem. A Wikipédia a következő meghatározást adja: „Az atom (ógörögül ἄτομος - oszthatatlan, vágatlan) egy mikroszkopikus méretű és tömegű anyag részecskéje, a legkisebb része. kémiai elem, amely tulajdonságainak hordozója. Az atom atommagból és elektronokból áll."
Manapság minden művelt ember elképzeli az atomot Rutherford modelljében, amelyet röviden ennek az általánosan elfogadott definíciónak az utolsó mondata képvisel. Úgy tűnik, hogy a feltett kérdésre/mítoszra a válasz nyilvánvaló: az atom összetett és összetett objektum. A helyzet azonban nem ennyire egyértelmű. Az ókori filozófusok az atom definíciójába inkább egy elemi és oszthatatlan anyagrészecske létezésének jelentését tették bele, és nem valószínű, hogy a problémát a periódusos rendszer elemeinek szerkezetével hozták összefüggésbe. Rutherford atomjában valójában találunk egy ilyen részecskét – ez egy elektron.
Elektron szerint modern ötletek, illeszkedve az ún
">A standard modell egy olyan pont, amelynek állapotát a helyzet és a sebesség írja le. Lényeges, hogy ezen kinematikai jellemzők egyidejű megadása a Heisenberg-féle bizonytalansági elv miatt lehetetlen, de ezek közül csak az egyiket, például a koordinátát figyelembe véve, tetszőlegesen nagy pontossággal meghatározható.
Lehetséges-e ilyenkor modern kísérleti technológiával egy elektront az atomméretnél lényegesen kisebb léptékben (~0,5 * 10-8 cm) lokalizálni és pontszerűségét ellenőrizni? Kiderült, hogy ha megpróbálunk egy elektront az úgynevezett Compton-hullámhossz skáláján lokalizálni - körülbelül 137-szer kisebb, mint egy hidrogénatom mérete -, az elektron kölcsönhatásba lép az antianyagával, és a rendszer instabillá válik.
Az elektron és mások hegyessége és oszthatatlansága elemi részecskék Az anyag a rövid távú cselekvés elvének kulcseleme a térelméletben, és minden, a természetet leíró alapvető egyenletben jelen van. Így az ókori filozófusok nem álltak olyan messze az igazságtól, amikor azt feltételezték, hogy az anyag oszthatatlan részecskéi léteznek.
Dmitrij Kuprijanov
A fizikai és matematikai tudományok doktora, a fizika professzora, a Szentpétervári Állami Műszaki Egyetem vezetője. Elméleti Fizikai Tanszék SPbSPU
A tudomány ezt még nem tudja. Rutherford bolygómodellje az atomról azt feltételezte, hogy az elektronok keringenek az atommag körül, mint a Nap körül keringő bolygók. Ugyanakkor természetes volt azt feltételezni, hogy az elektronok szilárd gömb alakú részecskék. Rutherford klasszikus modellje belsőleg ellentmondásos volt. Nyilvánvaló, hogy a felgyorsított töltött részecskék (elektronok) mozgatásakor energiát kell veszíteniük elektromágneses sugárzásés végül az atommagokra esnek.
Niels Bohr javasolta ennek a folyamatnak a betiltását és bizonyos követelmények bevezetését azon pályák sugaraira vonatkozóan, amelyek mentén az elektronok mozognak. Bohr fenomenológiai modellje átadta helyét a Heisenberg által kidolgozott atom kvantummodelljének és a Schrödinger által javasolt kvantum, de vizuálisabb atommodellnek. A Schrödinger-modellben az elektronok már nem pályán repülő golyók, hanem állóhullámok, amelyek felhőkként lógnak az atommag felett. E „felhők” alakját a Schrödinger által bevezetett hullámfüggvény írta le.
Rögtön felmerült a kérdés: mi a hullámfüggvény fizikai jelentése? A választ Max Born javasolta: a hullámfüggvény négyzetes modulusa az elektron megtalálásának valószínűsége a tér adott pontjában. És itt kezdődtek a nehézségek. Felmerült a kérdés: mit jelent elektront találni a tér adott pontjában? Born kijelentését nem úgy kell érteni, mint annak beismerését, hogy az elektron egy kis golyó, amely egy bizonyos pályán repül, és amely ennek a pályának egy bizonyos pontján bizonyos valószínűséggel elkapható?
Pontosan ezt az álláspontot képviseli Schrödinger és Albert Einstein, akik csatlakoztak hozzá ebben a kérdésben. Kifogásolták őket a koppenhágai iskola fizikusai - Niels Bohr és Werner Heisenberg, akik azzal érveltek, hogy a mérési aktusok között az elektron egyszerűen nem létezik, ami azt jelenti, hogy nincs értelme mozgásának pályájáról beszélni. Bohr és Einstein vitája a kvantummechanika értelmezéséről bekerült a történelembe. Bohrnak tűnt a győztes: sikerült, bár nem túl egyértelműen, de cáfolnia minden Einstein által megfogalmazott paradoxont, sőt a Schrödinger által 1935-ben megfogalmazott „Schrodinger macskája” híres paradoxonát is. A fizikusok többsége több évtizeden át egyetértett Bohrral abban, hogy az anyag nem objektív valóság, amelyet az érzésekben kapunk, ahogy azt Karl Marx tanította, hanem valami, ami csak a megfigyelés pillanatában keletkezik, és nem létezik megfigyelő nélkül. Érdekes, hogy a szovjet időkben az egyetemek filozófiai tanszékein azt tanították, hogy egy ilyen nézőpont szubjektív idealizmus, vagyis olyan irányzat, amely ellentétes az objektív materializmussal - Marx, Engels, Lenin és Einstein filozófiájával. Ugyanakkor a fizika tanszékeken azt tanították a diákoknak, hogy a koppenhágai iskola fogalmai az egyedüli helyesek (talán azért, mert a leghíresebb szovjet elméleti fizikus, Lev Landau is ehhez az iskolához tartozott).
Jelenleg a fizikusok véleménye megoszlik. Egyrészt továbbra is népszerű a kvantummechanika koppenhágai értelmezése. Az ezen értelmezés érvényességének kísérleti igazolására tett kísérletek (például az úgynevezett Bell-egyenlőtlenség sikeres igazolása Alain Aspe francia fizikus által) a tudományos közösség szinte egyhangú jóváhagyását élvezik. Másrészt a teoretikusok meglehetősen nyugodtan tárgyalnak alternatív elméletekről, például a párhuzamos világok elméletéről. Visszatérve az elektronra, elmondhatjuk, hogy még nem túl nagy az esélye annak, hogy biliárdgolyó maradjon. Ugyanakkor különböznek a nullától. A 20. század 20-as éveiben a Compton-szórás biliárdmodellje tette lehetővé annak bizonyítását, hogy a fény kvantumokból - fotonokból áll. A fontos és hasznos eszközökkel (diódák, tranzisztorok) kapcsolatos számos problémában kényelmes az elektront biliárdgolyónak tekinteni. Az elektron hullámtermészete fontos a finomabb hatások leírásához, mint például a fémek negatív mágneses ellenállása.
Annak a filozófiai kérdésnek, hogy létezik-e gömbelektron a mérési aktusok között, nincs jelentősége a hétköznapi életben. nagy jelentőségű. Ez a kérdés azonban továbbra is a modern fizika egyik legsúlyosabb problémája marad.
Alekszej Kavokin
A fizikai és matematikai tudományok kandidátusa, a Southamptoni Egyetem professzora, az Orosz Kvantumközpont Quantum Polaritonics Csoportjának vezetője, a Mediterrán Fundamentális Fizikai Intézet tudományos igazgatója (Olaszország)
Egy atom teljesen elpusztulhat
Ez igaz. A törés nem építés. Bármi elpusztítható, beleértve az atomot is, bármilyen teljességig. Az első közelítés szerint az atom egy pozitív töltésű atommag, amelyet negatív töltésű elektronok vesznek körül. Az atomon végrehajtható első pusztító művelet az elektronok letépése róla. Ezt többféleképpen lehet megtenni: összpontosíthat egy erős lézersugárzás, besugározható gyors elektronokkal vagy más gyors részecskékkel. Az elektronok egy részét elvesztett atomot ionnak nevezzük. Ebben az állapotban vannak az atomok a Napban, ahol a hőmérséklet olyan magas, hogy az atomoknak gyakorlatilag lehetetlen megtartani elektronjaikat az ütközések során.
Minél több elektront veszít el egy atom, annál nehezebb lesz eltávolítani a többit. A rendszámtól függően egy atomnak több vagy kevesebb elektronja van. A hidrogénatomnak általában csak egy elektronja van, és gyakran még normál körülmények között is elveszíti azt, és az elektronjait vesztett hidrogén határozza meg a víz pH-értékét. A héliumatomnak két elektronja van, és teljesen ionizált állapotban alfa-részecskéknek nevezik – olyan részecskéket, amelyeket egy atomreaktortól várnánk el, nem pedig a közönséges víztől. A sok elektront tartalmazó atomoknak még több energiára van szükségük az összes elektron eltávolításához, de ennek ellenére bármelyik atomból lehetséges az összes elektron eltávolítása.
Ha az összes elektron leszakad, akkor az atommag megmarad, de az is megsemmisülhet. Az atommag protonokból és neutronokból (általában hadronokból) áll, és bár meglehetősen szorosan kötődnek egymáshoz, egy kellően nagy energiájú beeső részecske széttörheti őket. A nehéz atomok, amelyekben túl sok a neutron és a proton, hajlamosak maguktól szétesni, és elég sok energiát szabadítanak fel – az atomerőművek ezen az elven alapulnak.
De még ha szét is töröd az atommagot és letéped az összes elektront, az eredeti részecskék megmaradnak: neutronok, protonok, elektronok. Természetesen ezeket is meg lehet semmisíteni. Valójában ez az, amit csinál, ami hatalmas energiákra gyorsítja fel a protonokat, ütközéskor teljesen tönkretéve őket. Ilyenkor sok új részecske születik, amit az ütköztető tanulmányoz. Ugyanezt meg lehet tenni az elektronokkal és bármilyen más részecskével.
A megsemmisült részecske energiája nem tűnik el, eloszlik más részecskék között, és ha elegendő van belőlük, lehetetlenné válik az eredeti részecske gyors nyomon követése az új átalakulások tengerében. Minden elpusztítható, nincs kivétel.
Alekszej Akimov
A fizikai és matematikai tudományok kandidátusa, az Orosz Kvantumközpont „Kvantumszimulátorok” csoportjának vezetője, a MIPT tanára, a Lebegyev Fizikai Intézet munkatársa, a Harvard Egyetem kutatója
Egy hidrogénatom, amely elektronfelhőket fog be. És bár modern fizikusok A gyorsítók segítségével még a proton alakját is meg tudják határozni, a hidrogénatom látszólag a legkisebb objektum marad, amelynek képét érdemes fényképnek nevezni. A Lenta.ru áttekintést nyújt modern módszerek a mikrovilág fotózása.
Szigorúan véve manapság szinte nem is maradt hétköznapi fotózás. Azok a képek, amelyeket szokás szerint fényképeknek nevezünk, és amelyek például a Lenta.ru bármely fotóriportjában megtalálhatók, valójában számítógépes modellek. Egy speciális eszközben (hagyományosan továbbra is „kamerának” hívják) egy fényérzékeny mátrix határozza meg a fényintenzitás térbeli eloszlását több különböző spektrális tartományban, a vezérlő elektronika ezeket az adatokat digitális formában menti el, majd egy másik elektronikus áramkör Ezen adatok alapján parancsokat ad a folyadékkristályos kijelzőn lévő tranzisztoroknak. Fólia, papír, speciális megoldások ezek feldolgozására – mindez egzotikussá vált. És ha emlékszünk a szó szó szerinti jelentésére, akkor a fényképezés „fényfestés”. Tehát mit is mondhatnánk, hogy a tudósoknak sikerült fotózni csak megfelelő konvenció mellett lehetséges.
A csillagászati képek több mint felét régóta infravörös, ultraibolya és röntgenteleszkópok készítették. Az elektronmikroszkópok nem fénnyel, hanem elektronsugárral sugároznak be, míg az atomerőmikroszkópok még a minta domborzatát is tűvel pásztázzák. Eszik röntgenmikroszkópokés mágneses rezonancia képalkotó szkennerek. Mindezek az eszközök pontos képet adnak a különféle tárgyakról, és annak ellenére, hogy természetesen itt nem kell „fényfestésről” beszélni, mégis megengedjük magunknak, hogy az ilyen képeket fényképeknek nevezzük.
A fizikusok kísérletei a proton alakjának vagy a részecskék belsejében lévő kvarkok eloszlásának meghatározására a színfalak mögött maradnak; történetünk az atomok léptékére korlátozódik.
Az optika soha nem öregszik
Mint a 20. század második felében kiderült, az optikai mikroszkópokon még van hova fejlődni. A biológiai és orvosi kutatások döntő momentuma volt a fluoreszcens festékek és módszerek megjelenése, amelyek lehetővé teszik bizonyos anyagok szelektív jelölését. Ez nem „csak egy új festékréteg”, hanem egy igazi forradalom.
A közhiedelemmel ellentétben a fluoreszcencia egyáltalán nem világít a sötétben (ez utóbbit lumineszcenciának hívják). Ez egy bizonyos energia kvantumainak (mondjuk a kék fénynek) abszorpciójának jelensége, amely más, alacsonyabb energiájú kvantumokat és ennek megfelelően más fényt bocsát ki (amikor a kék elnyelődik, zöldek bocsátanak ki). Ha olyan fényszűrőt szerelünk be, amely csak a festék által kibocsátott kvantumokat bocsátja át, és blokkolja a fluoreszcenciát okozó fényt, akkor sötét háttér látható fényes festékfoltokkal, a festékek pedig rendkívül szelektíven tudják színezni a mintát.
Például lefestheti a citoszkeletont idegsejt piros, a szinapszisok zölddel, a mag pedig kékkel kiemelve. Fluoreszcens címkét készíthet, amely bizonyos körülmények között lehetővé teszi a membránon lévő fehérjereceptorok vagy a sejt által szintetizált molekulák kimutatását. Az immunhisztokémiai festési módszer forradalmasított biológiai tudomány. És amikor a génmérnökök megtanulták, hogy transzgenikus állatokat készítsenek fluoreszcens fehérjékkel, ez a módszer újjászületett: például színes egerek különböző színek neuronok.
Emellett a mérnökök kitalálták (és gyakorolták is) az úgynevezett konfokális mikroszkópos módszert. Lényege abban rejlik, hogy a mikroszkóp egy nagyon vékony rétegre fókuszál, és egy speciális membrán vágja le az ezen a rétegen kívüli tárgyak által keltett megvilágítást. Egy ilyen mikroszkóp szekvenciálisan képes felülről lefelé pásztázni a mintát, és egy halom képet készíteni, amely kész alapja egy háromdimenziós modellnek.
A lézerek és a kifinomult optikai sugárvezérlő rendszerek alkalmazása megoldotta a színezékek fakulásának és a kényes biológiai minták erős fényben történő száradásának problémáját: a lézersugár csak akkor szkenneli a mintát, ha az a képalkotáshoz szükséges. És hogy ne vesztegessünk időt és erőfeszítést egy nagy példány szűk látómezőjű szemlencsén keresztüli vizsgálatára, a mérnökök azt javasolták, automatikus rendszer szkennelés: egy poharat a mintával egy modern mikroszkóp színpadára helyezhet, és a készülék önállóan nagyméretű panorámát készít a teljes mintáról. Ugyanakkor a megfelelő helyekre fókuszál, majd sok képkockát összefűz.
Egyes mikroszkópok tartalmazhatnak élő egereket, patkányokat vagy legalábbis kis gerinctelen állatokat. Mások enyhe nagyítást biztosítanak, de röntgenkészülékkel kombinálják. A rezgések okozta interferencia kiküszöbölése érdekében sok a több tonna súlyú speciális asztalokra van felszerelve, gondosan ellenőrzött mikroklímával rendelkező helyiségekben. Az ilyen rendszerek költsége meghaladja a többi elektronmikroszkóp költségét, és a legszebb keretért folyó versenyek már régóta hagyománnyá váltak. Emellett folytatódik az optika fejlesztése: a keresésből a legjobb fajták az üveg és az optimális lencsekombinációk kiválasztásával a mérnökök áttértek a fény fókuszálására.
Konkrétan felsoroltunk néhány technikai részletet, hogy bemutassuk: fejlődést a területen biológiai kutatás régóta összefüggésbe hozható más területek előrehaladásával. Ha nem lennének számítógépek, amelyek automatikusan meg tudnák számolni a festett sejtek számát több száz fényképen, a szupermikroszkópok nem sokat használnának. Fluoreszcens festékek nélkül pedig az összes millió sejt megkülönböztethetetlen lenne egymástól, így szinte lehetetlen lenne nyomon követni az újak keletkezését vagy a régiek pusztulását.
Valójában az első mikroszkóp egy bilincs volt, amelyhez gömb alakú lencsét erősítettek. Egy ilyen mikroszkóp analógja egyszerű lehet kártya benne egy lyukkal és egy csepp vízzel. Egyes jelentések szerint már a múlt században is használtak hasonló eszközöket Kolimai aranybányászok.
A diffrakciós határon túl
Az optikai mikroszkópoknak van egy alapvető hátránya. Az a tény, hogy a fényhullámok alakját felhasználva lehetetlen rekonstruálni azoknak a tárgyaknak az alakját, amelyek a hullámhossznál jóval rövidebbnek bizonyultak: ugyanilyen sikerrel megpróbálhatja kézzel megvizsgálni az anyag finom textúráját. vastag hegesztőkesztyű.
A diffrakció okozta korlátokat részben leküzdöttük a fizika törvényeinek megsértése nélkül. Két körülmény segíti az optikai mikroszkópok merülését a diffrakciós gát alatt: az a tény, hogy a fluoreszcencia során kvantumokat bocsátanak ki az egyes festékmolekulák (amelyek meglehetősen távol lehetnek egymástól), valamint az, hogy a fényhullámok egymásra helyezésével fényes fényt lehet elérni. hullámhossznál kisebb átmérőjű folt.
Egymásra helyezve a fényhullámok kiolthatják egymást, így a minta megvilágítási paraméterei úgy vannak beállítva, hogy a lehető legkisebb terület essen a világos területre. Matematikai algoritmusokkal kombinálva, amelyek lehetővé teszik például a szellemkép eltávolítását a képen, az ilyen irányított megvilágítás élesen javítja a fényképezés minőségét. Lehetővé válik például az intracelluláris struktúrák optikai mikroszkóppal történő vizsgálata, sőt (a leírt módszer konfokális mikroszkóppal történő kombinálásával) háromdimenziós képek készítése róluk.
Elektronmikroszkóp elektronikus eszközökhöz
Az atomok és molekulák felfedezéséhez a tudósoknak nem kellett rájuk nézniük – a molekuláris elméletnek nem kellett látnia az objektumot. De a mikrobiológia csak a mikroszkóp feltalálása után vált lehetségessé. Ezért a mikroszkópokat eleinte kifejezetten az orvostudományhoz és a biológiához kapcsolták: a lényegesen kisebb tárgyakat vizsgáló fizikusok és vegyészek más eszközökkel is beváltak. Amikor a mikrovilágba akartak nézni, a diffrakciós korlátok komoly problémát jelentettek, különösen azért, mert a fent leírt fluoreszcens mikroszkópos módszerek még ismeretlenek voltak. És nem sok értelme van a felbontást 500-ról 100 nanométerre növelni, ha a vizsgálandó tárgy még kisebb!
Tudván, hogy az elektronok hullámként és részecskeként is viselkedhetnek, német fizikusok 1926-ban elektronlencsét készítettek. A mögöttes ötlet nagyon egyszerű és minden iskolás számára érthető volt: mivel az elektromágneses tér eltéríti az elektronokat, ezzel megváltoztatható a részecskék nyalábjának alakja, különböző irányba húzva szét, vagy éppen ellenkezőleg, csökkenthető az átmérő. a gerenda. Öt évvel később, 1931-ben Ernst Ruska és Max Knoll megépítette a világ első elektronmikroszkópját. A készülékben a mintát először egy elektronsugárral világították meg, majd egy elektronlencse kitágította az áthaladó sugarat, mielőtt az egy speciális lumineszcens képernyőre esett volna. Az első mikroszkóp mindössze 400-szoros nagyítást adott, de a fény elektronokkal való helyettesítése több százezerszeres nagyítással nyitotta meg az utat a fotózás előtt: a tervezőknek csupán néhány technikai akadályt kellett leküzdeniük.
Az elektronmikroszkóppal korábban elérhetetlen minőségben lehetett vizsgálni a sejtek szerkezetét. De ebből a képből lehetetlen megérteni a sejtek korát és bizonyos fehérjék jelenlétét bennük, és ez az információ nagyon szükséges a tudósok számára.
Az elektronmikroszkópok ma már lehetővé teszik a vírusok közeli fényképezését. Az eszközöknek különféle módosításai vannak, amelyek nem csak vékony metszetek megvilágítását teszik lehetővé, hanem „visszavert fényben” (természetesen visszavert elektronokban) is vizsgálhatók. Nem fogunk részletesen beszélni a mikroszkópok összes változatáról, de megjegyezzük, hogy a közelmúltban a kutatók megtanulták rekonstruálni a képet diffrakciós mintából.
Érintse meg, ne nézze
Újabb forradalom következett be a „fény és láss” elvtől való további eltérés révén. Az atomerő-mikroszkóp, valamint a pásztázó alagútmikroszkóp már nem világít semmit a minták felületén. Ehelyett egy különösen vékony tű mozog a felületen, amely szó szerint még az egyes atomok méretű egyenetlenségein is visszapattan.
Anélkül, hogy az összes ilyen módszer részleteibe mennénk, megjegyezzük a legfontosabb dolgot: az alagútmikroszkóp tűjét nemcsak a felület mentén lehet mozgatni, hanem az atomok átrendezésére is használható. A tudósok így készítenek feliratokat, rajzokat, sőt rajzfilmeket is, amelyekben egy megrajzolt fiú atommal játszik. Valódi xenon atom, amelyet pásztázó alagútmikroszkóp hegye vonszol.
A mikroszkópot alagútmikroszkópnak nevezik, mert a tűn átfolyó alagútáram hatását használja fel: a kvantummechanika által megjósolt alagúthatás miatt az elektronok áthaladnak a tű és a felület közötti résen. Ennek a készüléknek a működéséhez vákuum szükséges.
Az atomerő-mikroszkóp (AFM) sokkal kevésbé igényes a környezeti feltételekre - (számos megkötéssel) levegő kiszivattyúzása nélkül is működik. Bizonyos értelemben az AFM a gramofon nanotechnológiai utódja. Egy vékony és rugalmas konzolos tartóra szerelt tű ( konzolés van egy „konzol”), úgy mozog a felületen, hogy nem kapcsol rá feszültséget, és ugyanúgy követi a minta domborzatát, ahogy a gramofon tolla követi a gramofonlemez barázdáit. A konzol meghajlása a rászerelt tükör elhajlását idézi elő, a tükör eltéríti a lézersugarat, és ez lehetővé teszi a vizsgált minta alakjának nagyon pontos meghatározását. A lényeg az, hogy legyen egy meglehetősen pontos rendszer a tű mozgatásához, valamint olyan tűkészlet, amelynek tökéletesen élesnek kell lennie. Az ilyen tűk hegyének görbületi sugara nem haladhatja meg az egy nanométert.
Az AFM lehetővé teszi az egyes atomok és molekulák megtekintését, de az alagútmikroszkóphoz hasonlóan nem teszi lehetővé, hogy a minta felszíne alá nézzen. Más szóval, a tudósoknak választaniuk kell aközött, hogy képesek-e látni az atomokat, vagy képesek-e tanulmányozni az egész objektumot. A vizsgált minták belseje azonban még optikai mikroszkópok esetében sem mindig hozzáférhető, mivel az ásványok vagy fémek általában nem eresztik át jól a fényt. Ráadásul az atomok fényképezésével továbbra is vannak nehézségek – ezek a tárgyak egyszerű golyóként jelennek meg, az elektronfelhők alakja nem látszik az ilyen képeken.
A gyorsítókkal felgyorsított töltött részecskék lelassítása során fellépő szinkrotronsugárzás lehetővé teszi az őskori állatok megkövesedett maradványainak tanulmányozását. A mintát röntgen alatt forgatva háromdimenziós tomogramokat kaphatunk - így találták meg például a 300 millió éve kihalt halak koponyájában az agyat. Elforgatás nélkül megoldható, ha a diffrakció miatt szórt röntgensugarak rögzítésével rögzítjük az átvitt sugárzást.
És ez nem minden lehetőség, amelyet a röntgensugárzás nyit meg. Ha besugározzuk vele, sok anyag fluoreszkál, és a fluoreszcencia jellege alapján meghatározható kémiai összetétel anyagok: ilyen módon színezik a tudósok az ősi leleteket, Arkhimédész középkorban kitörölt műveit, vagy már rég kihalt madarak tollait.
Az atomok póznak
A röntgensugaras vagy optikai-fluoreszcens módszerek által kínált összes lehetőség hátterében, új módja az egyes atomok fényképezése már nem tűnik olyan nagy áttörésnek a tudományban. A héten bemutatott képek megszerzését lehetővé tévő módszer lényege a következő: az ionizált atomokból elektronokat vonnak le és egy speciális detektorba küldik. Minden egyes ionizációs művelet eltávolít egy elektront egy bizonyos pozícióból, és egy pontot hoz létre a „fényképen”. Több ezer ilyen pont felhalmozása után a tudósok egy képet alkottak, amelyen az atommag körüli elektronok észlelésének legvalószínűbb helyei láthatók, és ez definíció szerint egy elektronfelhő.
Összefoglalva, az a képesség, hogy az egyes atomokat elektronfelhőikkel együtt látjuk, inkább a hab a modern mikroszkópia tortáján. A tudósok számára fontos volt az anyagok szerkezetének tanulmányozása, a sejtek és kristályok tanulmányozása, és az ebből eredő technológiai fejlődés lehetővé tette a hidrogénatom elérését. Minden, ami kevesebb, már az elemi részecskefizika szakembereinek érdeklődési köre. A biológusoknak, anyagtudósoknak és geológusoknak pedig még van hova fejleszteni a mikroszkópokat, még az atomok hátteréhez képest meglehetősen szerény nagyítás mellett is. A neurofiziológusok például régóta szerettek volna egy olyan eszközt, amely képes látni az egyes sejteket az élő agy belsejében, a Mars-járók alkotói pedig eladnák lelküket egy elektronmikroszkópért, amely elférne egy űrhajó fedélzetén, és működhetne a Marson is.
