Vandenilio atomas, gaudantis elektronų debesis. Ir nors šiuolaikiniai fizikai, naudodami greitintuvus, gali net nustatyti protono formą, vandenilio atomas, matyt, liks mažiausiu objektu, kurio atvaizdą prasminga vadinti fotografija. Lenta.ru pateikia apžvalgą šiuolaikiniai metodai fotografuojant mikropasaulį.
Griežtai kalbant, šiais laikais įprastos fotografijos beveik nebeliko. Vaizdai, kuriuos mes įprastai vadiname nuotraukomis ir kuriuos galime rasti, pavyzdžiui, bet kuriame Lenta.ru fotoreportaže, iš tikrųjų yra kompiuterių modeliai. Šviesai jautri matrica specialiame įrenginyje (tradiciškai ji ir toliau vadinama „kamera“) nustato šviesos intensyvumo erdvinį pasiskirstymą keliuose skirtinguose spektro diapazonuose, valdymo elektronika išsaugo šiuos duomenis skaitmenine forma, o paskui kitą. elektroninė grandinė Remdamasis šiais duomenimis, jis duoda komandas skystųjų kristalų ekrane esantiems tranzistoriams. Plėvelė, popierius, specialūs jų apdorojimo sprendimai – visa tai tapo egzotika. O jei prisiminsime pažodinę žodžio reikšmę, tai fotografija yra „šviesos tapyba“. Taigi, ką galime pasakyti, kad mokslininkams pavyko fotografuoti atomas, įmanomas tik esant pakankamai susitarimui.
Daugiau nei pusė visų astronominių vaizdų jau seniai buvo daromi infraraudonųjų, ultravioletinių ir rentgeno spindulių teleskopais. Elektroniniai mikroskopai apšvitina ne šviesa, o elektronų pluoštu, o atominės jėgos mikroskopai net adata nuskaito mėginio reljefą. Yra rentgeno mikroskopai ir magnetinio rezonanso skeneriai. Visi šie įrenginiai suteikia mums tikslius vaizdus įvairių objektų, ir nepaisant to, kad apie „šviesos tapybą“, žinoma, čia kalbėti nereikia, vis tiek leisime sau tokius vaizdus vadinti fotografijomis.
Fizikų eksperimentai, skirti nustatyti protono formą ar kvarkų pasiskirstymą dalelių viduje, liks užkulisiuose; mūsų istorija apsiribos atomų mastu.
Optika niekada nesensta
Kaip paaiškėjo XX amžiaus antroje pusėje, optiniai mikroskopai dar turi kur tobulėti. Lemiamas momentas biologinėse ir medicininiai tyrimai buvo fluorescencinių dažų ir metodų, leidžiančių pasirinktinai ženklinti, atsiradimas tam tikros medžiagos. Tai nebuvo „tik naujas dažų sluoksnis“, tai buvo tikra revoliucija.
Priešingai populiariems įsitikinimams, fluorescencija visai nėra švytėjimas tamsoje (pastarasis vadinamas liuminescencija). Tai yra tam tikros energijos kvantų (tarkime, mėlynos šviesos) sugerties reiškinys, vėliau išspinduliuojant kitus mažesnės energijos kvantus ir atitinkamai kitą šviesą (susigėrus mėlynai, skleis žalios spalvos). Įdėjus šviesos filtrą, kuris praleidžia tik dažų skleidžiamus kvantus ir blokuoja šviesą, sukeliančią fluorescenciją, matosi tamsus fonas su ryškiomis dažų dėmėmis, o dažai savo ruožtu gali itin selektyviai nuspalvinti mėginį.
Pavyzdžiui, galite dažyti citoskeletą nervinė ląstelė raudona, sinapsės paryškintos žaliai, o branduolys – mėlynai. Galite pagaminti fluorescencinę etiketę, kuri tam tikromis sąlygomis leis aptikti baltymų receptorius ant membranos arba ląstelės sintezuojamas molekules. Imunohistocheminis dažymo metodas padarė revoliuciją biologijos mokslas. Ir kada genų inžinieriai išmoko gaminti transgeninius gyvūnus su fluorescenciniais baltymais, šis metodas atgimė: pavyzdžiui, pelės su spalvotais skirtingos spalvos neuronai.
Be to, inžinieriai sugalvojo (ir praktikavo) vadinamosios konfokalinės mikroskopijos metodą. Jo esmė ta, kad mikroskopas sutelkia dėmesį į labai plonas sluoksnis, o speciali diafragma nupjauna šviesą, kurią sukuria už šio sluoksnio esantys objektai. Toks mikroskopas gali nuosekliai nuskaityti mėginį iš viršaus į apačią ir gauti vaizdų šūsnį, kuris yra paruoštas trimačio modelio pagrindas.
Lazerių ir sudėtingų optinio pluošto valdymo sistemų naudojimas leido išspręsti dažų išdegimo ir jautrių biologinių mėginių džiovinimo problemą. ryški šviesa: Lazerio spindulys nuskaito pavyzdį tik tada, kai reikia vaizdavimui. Kad nebūtų švaistomas laikas ir pastangos tiriant didelį egzempliorių per okuliarą su siauru matymo lauku, inžinieriai pasiūlė automatine sistema nuskaitymas: galite įdėti stiklą su pavyzdžiu ant šiuolaikinio mikroskopo scenos, o prietaisas savarankiškai nufotografuos didelio masto viso mėginio panoramą. Tuo pačiu metu jis sufokusuos reikiamas vietas ir sujungs daug kadrų.
Kai kuriuose mikroskopuose gali būti gyvų pelių, žiurkių ar bent mažų bestuburių gyvūnų. Kiti suteikia nedidelį padidinimą, tačiau yra derinami su rentgeno aparatu. Siekiant pašalinti vibracijos trikdžius, daugelis jų montuojami ant specialių keletą tonų sveriančių stalų patalpose su kruopščiai kontroliuojamu mikroklimatu. Tokių sistemų kaina viršija kitų elektroninių mikroskopų kainą ir varžosi dėl daugiausiai gražus rėmelis jau seniai tapo tradicija. Be to, ir toliau tobulinama optika: nuo geriausių stiklo tipų paieškos ir optimalių lęšių derinių parinkimo, inžinieriai perėjo prie šviesos fokusavimo būdų.
Mes specialiai išvardijome keletą techninių detalių, siekdami parodyti: pažangą šioje srityje biologiniai tyrimai jau seniai siejamas su pažanga kitose srityse. Jei nebūtų kompiuterių, kurie galėtų automatiškai suskaičiuoti nudažytų ląstelių skaičių keliuose šimtuose nuotraukų, supermikroskopai būtų mažai naudingi. O be fluorescencinių dažiklių visi milijonai ląstelių būtų niekuo neišsiskiriantys, todėl stebėti naujų formavimąsi ar senų žūtį būtų beveik neįmanoma.
Iš esmės pirmasis mikroskopas buvo spaustukas su pritvirtintu sferiniu lęšiu. Tokio mikroskopo analogas gali būti paprasta žaidimo korta su joje padaryta skylute ir vandens lašeliu. Remiantis kai kuriais pranešimais, panašius prietaisus aukso kasėjai Kolymoje naudojo jau praėjusiame amžiuje.
Už difrakcijos ribos
Optiniai mikroskopai turi esminį trūkumą. Faktas yra tai, kad naudojant šviesos bangų formą neįmanoma atkurti tų objektų, kurie pasirodė daug trumpesni už bangos ilgį, formos: taip pat sėkmingai galite pabandyti ranka patyrinėti smulkią medžiagos tekstūrą. stora suvirinimo pirštinė.
Difrakcijos sukurti apribojimai buvo iš dalies įveikti, nepažeidžiant fizikos dėsnių. Dvi aplinkybės padeda optiniams mikroskopams pasinerti po difrakcijos barjeru: tai, kad fluorescencijos metu kvantus išskiria atskiros dažų molekulės (kurios gali būti gana toli viena nuo kitos), ir tai, kad sudėjus šviesos bangas galima gauti ryškų. dėmė, kurios skersmuo mažesnis už bangos ilgį.
Kai uždedami vienas ant kito šviesos bangos gali viena kitą užgesinti, todėl mėginio apšvietimo parametrai turi būti nustatyti taip, kad į šviesiąją sritį patektų kuo mažesnis plotas. Kartu su matematiniai algoritmai, kurios leidžia, pavyzdžiui, pašalinti vaizdo dubliavimą, todėl toks kryptingas apšvietimas žymiai pagerina fotografavimo kokybę. Pasidaro įmanoma, pavyzdžiui, optiniu mikroskopu ištirti intraląstelines struktūras ir netgi (aprašytą metodą derinant su konfokaline mikroskopija) gauti trimačius jų vaizdus.
Elektroninis mikroskopas prie elektroninių prietaisų
Kad atrastų atomus ir molekules, mokslininkai neturėjo į juos žiūrėti. molekulinė teorija objekto matyti nereikėjo. Tačiau mikrobiologija tapo įmanoma tik išradus mikroskopą. Todėl iš pradžių mikroskopai buvo siejami būtent su medicina ir biologija: žymiai mažesnius objektus tyrinėję fizikai ir chemikai apsigyvendavo kitomis priemonėmis. Kai jie norėjo pažvelgti į mikropasaulį, difrakcijos apribojimai tapo rimta problema, ypač dėl aukščiau aprašytų metodų. fluorescencinė mikroskopija dar buvo nežinomi. Ir nėra prasmės didinti skiriamąją gebą nuo 500 iki 100 nanometrų, jei objektas, kurį reikia ištirti, yra dar mažesnis!
Žinodami, kad elektronai gali elgtis ir kaip banga, ir kaip dalelė, fizikai iš Vokietijos 1926 metais sukūrė elektroninį lęšį. Jo idėja buvo labai paprasta ir suprantama bet kuriam moksleiviui: kadangi elektromagnetinis laukas nukreipia elektronus, juo galima pakeisti šių dalelių pluošto formą jas atitraukiant. skirtingos pusės, arba, atvirkščiai, sumažinti sijos skersmenį. Po penkerių metų, 1931 m., Ernstas Ruska ir Maxas Knollas pastatė pirmąjį pasaulyje elektroninį mikroskopą. Įrenginyje mėginys pirmiausia buvo apšviestas elektronų pluoštu, o po to elektroninis lęšis išplėtė spindulį, kuris praėjo, kol jis nukrito ant specialaus liuminescencinio ekrano. Pirmasis mikroskopas padidino tik 400 kartų, tačiau šviesos pakeitimas elektronais atvėrė kelią į fotografiją, padidinančią šimtus tūkstančių kartų: dizaineriams tereikėjo įveikti keletą techninių kliūčių.
Elektroninis mikroskopas leido ištirti ląstelių struktūrą iki tol nepasiekiama kokybe. Tačiau iš šio vaizdo neįmanoma suprasti ląstelių amžiaus ir tam tikrų baltymų buvimo jose, o ši informacija yra labai reikalinga mokslininkams.
Dabar elektroniniai mikroskopai leidžia fotografuoti virusus Iš arti. Yra įvairių prietaisų modifikacijų, leidžiančių ne tik apšviesti plonus pjūvius, bet ir juos tirti „atspindintoje šviesoje“ (žinoma, atspindėtuose elektronuose). Mes nekalbėsime išsamiai apie visus mikroskopų variantus, tačiau pastebime, kad pastaruoju metu mokslininkai išmoko atkurti vaizdą pagal difrakcijos modelį.
Palieskite, o ne žiūrėkite
Kita revoliucija įvyko toliau nukrypstant nuo principo „šviesa ir matai“. Atominės jėgos mikroskopas, taip pat skenavimas tunelinis mikroskopas, nebespindi nieko ant mėginių paviršiaus. Vietoj to, paviršiumi juda ypač plona adata, kuri tiesiogine prasme atsimuša net į atskiro atomo dydžio nelygumus.
Nesigilindami į visų tokių metodų detales, atkreipiame dėmesį į pagrindinį dalyką: tunelinio mikroskopo adatą galima ne tik perkelti išilgai paviršiaus, bet ir panaudoti atomams pertvarkyti iš vienos vietos į kitą. Taip mokslininkai kuria užrašus, piešinius ir net karikatūras, kuriose nupieštas berniukas žaidžia su atomu. Tikras ksenono atomas, traukiamas skenuojančio tunelinio mikroskopo galiuko.
Tunelinis mikroskopas vadinamas mikroskopu, nes jame naudojamas adata tekančios tunelinės srovės efektas: elektronai praeina per tarpą tarp adatos ir paviršiaus dėl numatomo Kvantinė mechanika tunelio efektas. Šiam įrenginiui veikti reikalingas vakuumas.
Atominės jėgos mikroskopas (AFM) yra daug mažiau reiklus aplinkos sąlygoms – jis gali (su tam tikrais apribojimais) veikti neišsiurbdamas oro. Tam tikra prasme AFM yra nanotechnologinis gramofono įpėdinis. Ant plono ir lankstaus konsolinio laikiklio pritvirtinta adata ( konsolė ir yra „laikiklis“), juda išilgai paviršiaus, nenaudodama jo įtampos ir seka mėginio reljefą taip pat, kaip gramofono adata seka gramofono įrašo grioveliais. Konsolės lenkimas lemia, kad ant jo sumontuotas veidrodis nukreipia lazerio spindulį, ir tai leidžia labai tiksliai nustatyti tiriamo pavyzdžio formą. Svarbiausia, kad būtų pakankamai tiksli adatos judinimo sistema, taip pat adatų atsargos, kurios turi būti visiškai aštrios. Tokių adatų galiukų kreivio spindulys negali viršyti vieno nanometro.
AFM leidžia matyti atskiri atomai o molekulės, kaip ir tunelinis mikroskopas, neleidžia pažvelgti po mėginio paviršiumi. Kitaip tariant, mokslininkai turi pasirinkti, ar gali matyti atomus, ar gebėti tyrinėti visą objektą. Tačiau net ir naudojant optinius mikroskopus tiriamų mėginių vidus ne visada pasiekiamas, nes mineralai ar metalai dažniausiai prastai praleidžia šviesą. Be to, vis dar kyla sunkumų fotografuojant atomus – šie objektai atrodo kaip paprasti rutuliukai, tokiuose vaizduose elektronų debesų formos nesimato.
Sinchrotroninė spinduliuotė, atsirandanti, kai lėtėja greitintuvais pagreitintos įkrautos dalelės, leidžia tyrinėti suakmenėjusias priešistorinių gyvūnų liekanas. Mėginio pasukimas po rentgeno spinduliai, galime gauti trimates tomogramas – taip, pavyzdžiui, prieš 300 milijonų metų išnykusios žuvies kaukolės viduje buvo rastos smegenys. Galima apsieiti ir be sukimo, jei sklindanti spinduliuotė fiksuojama fiksuojant dėl difrakcijos išsibarsčiusius rentgeno spindulius.
Ir tai dar ne visos atsiveriančios galimybės rentgeno spinduliuotė. Kai juo apšvitinama, daugelis medžiagų fluorescuoja ir tai galima nustatyti pagal fluorescencijos pobūdį cheminė sudėtis medžiagos: tokiu būdu mokslininkai spalvina senovinius artefaktus, viduramžiais ištrintus Archimedo darbus arba nuspalvina seniai išnykusių paukščių plunksnas.
Atomai pozuoja
Atsižvelgiant į visas galimybes, kurias suteikia rentgeno arba optinės fluorescencijos metodai, naujas būdas atskirų atomų fotografavimas nebeatrodo toks didelis mokslo proveržis. Metodo, kuris leido gauti šią savaitę pristatytus vaizdus, esmė yra tokia: elektronai atimami nuo jonizuotų atomų ir siunčiami į specialų detektorių. Kiekvienas jonizacijos veiksmas pašalina elektroną iš tam tikros padėties ir sukuria vieną tašką „nuotraukoje“. Sukaupę kelis tūkstančius tokių taškų, mokslininkai sudarė paveikslėlį, kuriame pavaizduotos labiausiai tikėtinos elektrono aplink atomo branduolį aptikimo vietos, o tai pagal apibrėžimą yra elektronų debesis.
Apibendrinant, galimybė matyti atskirus atomus su jų elektronų debesimis yra vyšnia ant torto Šiuolaikinė mikroskopija. Mokslininkams buvo svarbu tirti medžiagų struktūrą, tirti ląsteles ir kristalus, o dėl to atsiradusių technologijų tobulėjimas leido pasiekti vandenilio atomą. Kas mažiau – jau fizikos specialistų interesų sfera elementariosios dalelės. Biologai, medžiagų mokslininkai ir geologai vis dar turi kur patobulinti mikroskopus, net ir naudojant gana kuklų padidinimą, palyginti su atomų fonu. Pavyzdžiui, neurofiziologijos specialistai jau seniai norėjo turėti prietaisą, galintį matyti atskiras ląsteles gyvose smegenyse, o marsaeigių kūrėjai parduotų savo sielas už elektroninį mikroskopą, kuris tilptų laive. erdvėlaivis ir galėtų dirbti Marse.
„Nion Hermes“ skenuojantis elektroninis mikroskopas kainuoja 3,7 milijono svarų sterlingų (5,5 mln. USD) ir gali pamatyti milijonus kartų mažesnius už žmogaus plauką objektus. Pagrindinė elektroninio mikroskopo gudrybė yra ta, kad vietoj to, kad būtų naudojamas fotonų pluoštas, kaip įprasti šviesos mikroskopai, jis naudoja elektronų pluoštą. Elektronų bangos ilgis yra trumpesnis, todėl galima padidinti padidinimą ir geresnę skiriamąją gebą.
Kalbant apie tokio prietaiso taikymo sritį, ji yra plati. Pradedantiesiems imkime elektrotechniką. Visi renkasi kompaktiškus nešiojamus prietaisus. Mūsų programėlės kasdien mažėja. Norint juos sukurti, reikia tranzistorių, puslaidininkių ir kitų dalių, tačiau norint sukurti tokius miniatiūrinius gaminius reikia mokėti dirbti su medžiagomis atominiame lygmenyje. Juk jei į, pavyzdžiui, grafeno, dvimačio anglies atomų lakšto, struktūrą pridėsite papildomą atomą, pasikeis pati medžiaga! Todėl norint išsaugoti medžiagos vientisumą, reikalingas specialus atominis valdymas.
SuperSTEM laboratorijos mokslininkai kuria savo projektą su molibdeno disulfidu. Tai dar viena 2D medžiaga, tokia kaip grafenas. Jis naudojamas kaip pramoninis katalizatorius, pavyzdžiui, norint pašalinti sierą iš iškastinio kuro. Danijos chemijos įmonė „Haldor Topsoe“ naudoja elektroninius mikroskopus, kad ištirtų, kaip molibdeno disulfido atomų pertvarkymas gali paveikti jo katalizines savybes.
Super mikroskopas taip pat yra paklausus nanomedicinoje. Jis gali būti naudojamas norint patikrinti, kaip saugiai vaisto molekulė yra prijungta prie nanodalelės, kuri veikia kaip vaistų pernešėjas.
Be to, su jo pagalba galite apsvarstyti kristalų struktūros meteorito dulkių dalelės. Nors visa tai – tik gera pradžia ateičiai.
Pabandykime. Nemanau, kad viskas, kas parašyta žemiau, yra visiškai teisinga ir galbūt kažką praleidau, bet esamų atsakymų į panašius klausimus ir mano mintys susidėliojo taip:
Paimkime vandenilio atomą: vienas protonas ir vienas elektronas jo orbitoje.
Vandenilio atomo spindulys yra būtent jo elektrono orbitos spindulys. Gamtoje jis lygus 53 pikometriams, tai yra 53 × 10^-12 metrų, bet mes norime jį padidinti iki 30 × 10 ^-2 metrų - maždaug 5 milijardus kartų.
Protono skersmuo (tai yra mūsų atomo branduolys) - 1,75×10^−15 m Padidinus iki norimo dydžio, jis bus 1×10^−5 metrų dydžio, tai yra šimtoji milimetro dalis. Jis neatskiriamas plika akimi.
Vietoj to padidinkime protoną iki žirnio dydžio. Tada elektrono orbita bus futbolo aikštės spindulys.
Protonas atstovaus regionui teigiamas krūvis. Jį sudaro trys kvarkai, kurie yra maždaug tūkstantį kartų mažesni už jį - mes jų tikrai nepamatysime. Yra nuomonė, kad apibarsčius šį hipotetinį objektą magnetinėmis drožlėmis, jos susikaups aplink centrą į sferinį debesį.
Elektronas nebus matomas. Joks rutulys neskris aplink atomo branduolį, elektrono „orbita“ yra tik sritis skirtingus taškus kurioje elektronas gali būti su skirtingomis tikimybėmis. Galime įsivaizduoti tai kaip stadiono skersmens sferą aplink mūsų žirnį. IN atsitiktiniai taškaišios sferos viduje atsiranda negatyvas ir akimirksniu išnyksta elektros krūvis. Be to, tai daro taip greitai, kad net bet kuriuo momentu nėra prasmės kalbėti apie konkrečią jo vietą... taip, tai nesuprantama. Paprasčiau tariant, tai nieko „neatrodo“.
Beje, įdomu tai, kad padidinę atomą iki makroskopinių matmenų tikimės jį „pamatyti“ – tai yra aptikti nuo jo atsispindinčią šviesą. Tiesą sakant, įprasto dydžio atomai neatspindi šviesos atominėje skalėje, apie kurią kalbame apie elektronų ir fotonų sąveiką. Elektronas gali sugerti fotoną ir pereiti prie kito energijos lygis, jis gali skleisti fotoną ir pan. Hipotetiškai padidinus šią sistemą iki futbolo aikštės dydžio, reikėtų per daug prielaidų, kad būtų galima numatyti šios neįmanomos struktūros elgesį: ar fotonas turėtų tokį patį poveikį milžiniškam atomui? Ar reikia „žiūrėti“ į jį bombarduojant specialiais milžiniškais fotonais? Ar jis skleis milžiniškus fotonus? Visi šie klausimai, griežtai tariant, neturi prasmės. Vis dėlto manau, kad galima drąsiai teigti, kad atomas neatspindės šviesos taip, kaip metalinis rutulys.
Galimybė pamatyti subatomines daleles savo akimis yra nepaprastai svarbi šiuolaikinė fizika. Anksčiau mokslininkai jau spėjo fotografuoti ir. Tačiau nufotografuoti patį atomą, o ne bet kurią jo dalį, atrodė itin sunku. sunki užduotis net naudojant pažangiausius įrenginius.
Faktas yra tas, kad pagal kvantinės mechanikos dėsnius neįmanoma vienodai tiksliai nustatyti visų savybių subatominė dalelė. Šis skyrius teorinė fizika pastatytas remiantis Heisenbergo neapibrėžtumo principu, kuris teigia, kad neįmanoma vienodai tiksliai išmatuoti dalelės koordinačių ir momento – tikslūs vienos savybės matavimai tikrai pakeis duomenis apie kitą.
Todėl, užuot nustatę vietą (dalelių koordinates), kvantinė teorija siūlo išmatuoti vadinamąją banginę funkciją.
Bangos funkcija veikia panašiai kaip garso banga. Vienintelis skirtumas yra tas matematinis aprašymas garso banga nustato molekulių judėjimą ore tam tikroje vietoje, o banginė funkcija nusako dalelės atsiradimo tam tikroje vietoje tikimybę pagal Šriodingerio lygtį.
Išmatuoti bangos funkciją taip pat sunku (tiesioginiai stebėjimai veda prie jos žlugimo), tačiau teoriniai fizikai gali apytiksliai numatyti jos reikšmes.
Eksperimentiškai išmatuokite visus parametrus bangos funkcija yra įmanomas tik tuo atveju, jei jis yra surinktas iš atskirų destruktyvių matavimų, atliekamų visiškai identiškose atomų ar molekulių sistemose.
Fizikai iš olandų tyrimų institutas AMOLF pristatė naujas metodas, kuri nereikalauja jokio „restruktūrizavimo“, ir paskelbė savo darbo rezultatus žurnale „Physical Review Letters“. Jų technika pagrįsta 1981 m. hipoteze trejų metų Sovietiniai fizikai teoretikai, taip pat naujesniuose tyrimuose.
Eksperimento metu mokslininkų komanda nukreipė du lazerio spindulius į specialioje kameroje esančius vandenilio atomus. Dėl šio smūgio elektronai paliko savo orbitą greičiu ir kryptimi, kurią nulėmė jų bangų funkcijos. Stiprus elektrinis laukas kameroje, kurioje yra vandenilio atomai, nukreipė elektronus į konkrečias plokščiojo (plokščiojo) detektoriaus dalis.
Į detektorių pataikiusių elektronų padėtis buvo nustatyta pagal jų pradinis greitis, o ne padėtis kameroje. Taigi elektronų pasiskirstymas detektoriuje mokslininkams papasakojo apie bangų funkciją, kurią šios dalelės turėjo, kai jos paliko orbitą aplink vandenilio atomo branduolį.
Elektronų judesiai buvo rodomi fosforescenciniame ekrane tamsių ir šviesių žiedų pavidalu, kuriuos mokslininkai nufotografavo didelės raiškos skaitmenine kamera.
„Esame labai patenkinti savo rezultatais. Kvantinė mechanika tiek mažai kasdienybėžmonių, apie kuriuos vargu ar kas nors pagalvotų apie tikros nuotraukos įsigijimą kvantinės sąveikos atome“, – sako tyrimo vadovė Aneta Stodolna. Ji taip pat tvirtina, kad sukurta technika gali turėti praktinis naudojimas, pavyzdžiui, sukurti atomo storio laidininkus, plėtoti molekulinės vielos technologiją, kuri žymiai pagerins šiuolaikinius elektroninius prietaisus.
„Pažymėtina, kad eksperimentas buvo atliktas būtent su vandeniliu, kuris yra ir pati paprasčiausia, ir labiausiai paplitusi medžiaga mūsų Visatoje. Reikės suprasti, ar šią techniką galima pritaikyti ir daugiau sudėtingi atomai. Jei taip, tai šis didelis proveržis, kuri leis plėtoti ne tik elektroniką, bet ir nanotechnologijas“, – sako Jeffas Lundeenas iš Otavos universiteto, kuris tyrime nedalyvavo.
Tačiau patys mokslininkai, atlikę eksperimentą, nesusimąsto praktinė pusė klausimas. Jie mano, kad jų atradimas pirmiausia susijęs su fundamentinis mokslas, kuris padės ateities fizikų kartoms perduoti daugiau žinių.
Šioje nuotraukoje jūs žiūrite į pirmąjį tiesioginis vaizdas elektronas skrieja aplink atomą – iš tikrųjų atomo banginė funkcija!
Norėdami nufotografuoti vandenilio atomo orbitinę struktūrą, mokslininkai panaudojo moderniausią kvantinį mikroskopą – neįtikėtiną įrenginį, leidžiantį mokslininkams pažvelgti į kvantinės fizikos sritį.
Erdvės orbitinę struktūrą atome užima elektronas. Tačiau apibūdindami šias mikroskopines medžiagos savybes, mokslininkai remiasi bangų funkcijomis - matematiniai metodai dalelių kvantinių būsenų aprašymai, būtent kaip jos elgiasi erdvėje ir laike.
Kaip taisyklė, į Kvantinė fizika dalelių būsenoms apibūdinti naudokite tokias formules kaip Schrödingerio lygtis.
Kliūtys tyrinėtojų kelyje
Iki šiol mokslininkai niekada nebuvo stebėję bangos funkcijos. Bandymas užfiksuoti tikslią vieno elektrono padėtį ar impulsą buvo panašus į bandymą sugauti musių spiečius. Tiesioginius stebėjimus iškreipė labai nemalonus reiškinys – kvantinė koherencija.
Norint išmatuoti visas kvantines būsenas, jums reikia įrankio, kuris laikui bėgant galėtų atlikti kelis dalelės būsenų matavimus.
Bet kaip padidinti jau mikroskopinę būseną? kvantinė dalelė? Tarptautinių mokslininkų grupė rado atsakymą. Naudojant kvantinį mikroskopą, įrenginį, kuris naudoja fotojonizaciją, kad tiesiogiai stebėtų atomines struktūras.
Savo straipsnyje m populiarus žurnalas Fizinės apžvalgos laiškai, institute dirbanti Aneta Stodolna molekulinė fizika(AMOLF) Nyderlanduose aprašo, kaip ji ir jos komanda gavo vandenilio atomo, esančio statiniame elektriniame lauke, mazgo elektronų orbitalių struktūras.
Darbo metodas
Po apšvitinimo lazerio impulsais jonizuoti elektronai paliko savo orbitas ir pagal išmatuotą trajektoriją pateko į 2D detektorių (dvigubo mikrokanalio plokštelę. Detektorius yra statmenai pačiam laukui). Yra daug trajektorijų, kuriomis elektronai gali keliauti prieš susidūrę su detektoriumi. Tai suteikia mokslininkams trukdžių modelių rinkinį - modelius, atspindinčius bangos funkcijos mazginę struktūrą.
Tyrėjai panaudojo elektrostatinį lęšį, kuris išeinančią elektronų bangą padidina daugiau nei 20 000 kartų.
