Një atom hidrogjeni që kap retë elektronike. Dhe megjithëse fizikanët modernë, duke përdorur përshpejtuesit, madje mund të përcaktojnë formën e një protoni, atomi i hidrogjenit, me sa duket, do të mbetet objekti më i vogël, imazhi i të cilit ka kuptim për të quajtur një fotografi. Lenta.ru paraqet një përmbledhje metodat moderne duke fotografuar mikrobotën.
Në mënyrë të rreptë, nuk ka mbetur pothuajse asnjë fotografi e zakonshme këto ditë. Imazhet që ne zakonisht i quajmë fotografi dhe mund të gjenden, për shembull, në çdo raport fotografik të Lenta.ru, janë në të vërtetë modelet kompjuterike. Një matricë e ndjeshme ndaj dritës në një pajisje të veçantë (tradicionalisht vazhdon të quhet "kamerë") përcakton shpërndarjen hapësinore të intensitetit të dritës në disa vargje të ndryshme spektrale, elektronika e kontrollit i ruan këto të dhëna në formë dixhitale, dhe më pas një tjetër qark elektronik Bazuar në këto të dhëna, ai u jep komanda transistorëve në ekranin e kristalit të lëngshëm. Film, letër, zgjidhje speciale për përpunimin e tyre - e gjithë kjo është bërë ekzotike. Dhe nëse kujtojmë kuptimin e mirëfilltë të fjalës, atëherë fotografia është "pikturë e lehtë". Pra, çfarë mund të themi që shkencëtarët ia dolën për të fotografuar atom, është e mundur vetëm me një sasi të drejtë konvencioni.
Më shumë se gjysma e të gjitha imazheve astronomike janë marrë prej kohësh nga teleskopët me rreze infra të kuqe, ultravjollcë dhe me rreze X. Mikroskopët elektronikë rrezatojnë jo me dritë, por me një rreze elektronesh, ndërsa mikroskopët e forcës atomike skanojnë edhe relievin e kampionit me gjilpërë. Ka mikroskopë me rreze X dhe skanerë me rezonancë magnetike. Të gjitha këto pajisje na japin imazhe të sakta objekte të ndryshme, dhe përkundër faktit se, natyrisht, nuk ka nevojë të flasim për "pikturë me dritë" këtu, ne ende do t'i lejojmë vetes t'i quajmë imazhe të tilla fotografi.
Eksperimentet e fizikanëve për të përcaktuar formën e protonit ose shpërndarjen e kuarkut brenda grimcave do të mbeten prapa skenës; historia jonë do të kufizohet në shkallën e atomeve.
Optika nuk plaket kurrë
Siç doli në gjysmën e dytë të shekullit të 20-të, mikroskopët optikë kanë ende vend për përmirësim. Një moment vendimtar në biologjik dhe Kërkime mjekësore ishte ardhja e ngjyrave fluoreshente dhe metodave që lejojnë etiketimin selektiv substanca të caktuara. Kjo nuk ishte "thjesht një shtresë e re bojë", ishte një revolucion i vërtetë.
Në kundërshtim me besimin popullor, fluoreshenca nuk është aspak një shkëlqim në errësirë (kjo e fundit quhet lumineshencë). Ky është fenomeni i përthithjes së kuanteve të një energjie të caktuar (të themi, drita blu) me emetimin e mëvonshëm të kuanteve të tjera të energjisë më të ulët dhe, në përputhje me rrethanat, dritës tjetër (kur thithet bluja, ato jeshile do të emetohen). Nëse instaloni një filtër drite që transmeton vetëm kuantet e emetuara nga boja dhe bllokon dritën që shkakton fluoreshencë, mund të shihni një sfond të errët me pika të ndritshme ngjyrash, dhe ngjyrat, nga ana tjetër, mund ta ngjyrosin kampionin në mënyrë jashtëzakonisht selektive.
Për shembull, ju mund të pikturoni citoskeletin qelizë nervore e kuqe, sinapset e theksuara në të gjelbër dhe bërthama në blu. Ju mund të bëni një etiketë fluoreshente që do t'ju lejojë të zbuloni receptorët e proteinave në membranë ose molekulat e sintetizuara nga qeliza në kushte të caktuara. Metoda e ngjyrosjes imunohistokimike ka revolucionarizuar shkenca biologjike. Dhe kur inxhinierët gjenetikë mësuar të bëjë kafshë transgjenike me proteina fluoreshente, kjo metodë ka përjetuar një rilindje: për shembull, minjtë me ngjyrë ngjyra të ndryshme neuronet.
Përveç kësaj, inxhinierët dolën me (dhe praktikuan) metodën e të ashtuquajturës mikroskopi konfokale. Thelbi i tij qëndron në faktin se mikroskopi fokusohet në shumë shtrese e holle, dhe një diafragmë e veçantë ndërpret dritën e krijuar nga objektet jashtë kësaj shtrese. Një mikroskop i tillë mund të skanojë në mënyrë sekuenciale një mostër nga lart poshtë dhe të marrë një grumbull imazhesh, e cila është një bazë e gatshme për një model tredimensional.
Përdorimi i lazerëve dhe sistemeve komplekse të kontrollit të rrezeve optike ka bërë të mundur zgjidhjen e problemit të djegies së ngjyrave dhe tharjes së mostrave delikate biologjike nën dritë të ndritshme: Rrezja lazer skanon kampionin vetëm kur nevojitet për imazhe. Dhe për të mos humbur kohë dhe përpjekje duke ekzaminuar një ekzemplar të madh përmes një okular me një fushë të ngushtë shikimi, inxhinierët sugjeruan sistem automatik skanimi: mund të vendosni një gotë me një mostër në skenën e një mikroskopi modern dhe pajisja do të marrë në mënyrë të pavarur një panoramë në shkallë të gjerë të të gjithë kampionit. Në të njëjtën kohë, ai do të fokusohet në vendet e duhura dhe më pas do të bashkojë shumë korniza së bashku.
Disa mikroskopë mund të përmbajnë minj të gjallë, minj ose të paktën kafshë të vogla jovertebrore. Të tjerët ofrojnë një zmadhim të lehtë, por kombinohen me një aparat me rreze X. Për të eliminuar ndërhyrjet nga dridhjet, shumë prej tyre janë montuar në tavolina të veçanta që peshojnë disa tonë brenda dhomave me një mikroklimë të kontrolluar me kujdes. Kostoja e sistemeve të tilla tejkalon koston e mikroskopëve të tjerë elektronikë, dhe më së shumti konkurrencë kornizë e bukur janë bërë traditë prej kohësh. Për më tepër, përmirësimi i optikës vazhdon: nga kërkimi i llojeve më të mira të xhamit dhe zgjedhja e kombinimeve optimale të lenteve, inxhinierët kanë kaluar në mënyrat për të fokusuar dritën.
Ne kemi renditur në mënyrë specifike një numër detajesh teknike për të treguar: progresin në terren kërkime biologjike prej kohësh është shoqëruar me progres në fusha të tjera. Nëse nuk do të kishte kompjuterë që do të mund të numëronin automatikisht numrin e qelizave të njollosura në disa qindra fotografi, supermikroskopët do të kishin pak përdorim. Dhe pa ngjyra fluoreshente, të gjitha miliona qelizat do të ishin të padallueshme nga njëra-tjetra, kështu që do të ishte pothuajse e pamundur të monitorohej formimi i të rejave ose vdekja e të vjetrave.
Në fakt, mikroskopi i parë ishte një kapëse me një lente sferike të ngjitur në të. Një analog i një mikroskopi të tillë mund të jetë një kartë e thjeshtë loje me një vrimë të bërë në të dhe një pikë uji. Sipas disa raporteve, pajisje të ngjashme janë përdorur nga minatorët e arit në Kolyma tashmë në shekullin e kaluar.
Përtej kufirit të difraksionit
Mikroskopët optikë kanë një disavantazh thelbësor. Fakti është se duke përdorur formën e valëve të dritës është e pamundur të rindërtoni formën e atyre objekteve që doli të ishin shumë më të shkurtër se gjatësia e valës: me të njëjtin sukses mund të provoni të ekzaminoni strukturën e hollë të materialit me dorën tuaj. një dorezë e trashë saldimi.
Kufizimet e krijuara nga difraksioni janë kapërcyer pjesërisht, pa shkelur ligjet e fizikës. Dy rrethana i ndihmojnë mikroskopët optikë të zhyten nën pengesën e difraksionit: fakti që gjatë fluoreshencës kuantet emetohen nga molekula individuale të bojës (të cilat mund të jenë mjaft larg njëra-tjetrës) dhe fakti që për shkak të mbivendosjes së valëve të dritës është e mundur të merrni një pikë të ndritshme me një diametër më të vogël se gjatësia e valës.
Kur mbivendosen mbi njëra-tjetrën valë të lehta janë në gjendje të shuajnë reciprokisht njëri-tjetrin, kështu që parametrat e ndriçimit të mostrës duhet të vendosen në mënyrë që zona më e vogël e mundshme të bjerë në zonën e ndritshme. Në kombinim me algoritme matematikore, të cilat lejojnë, për shembull, heqjen e fantazmave të imazhit, një ndriçim i tillë i drejtuar siguron një rritje të mprehtë të cilësisë së shkrepjes; Bëhet e mundur, për shembull, të ekzaminohen strukturat ndërqelizore duke përdorur një mikroskop optik dhe madje (duke kombinuar metodën e përshkruar me mikroskopin konfokal) të merren imazhe tredimensionale të tyre.
Mikroskop elektronik për pajisjet elektronike
Për të zbuluar atomet dhe molekulat, shkencëtarët nuk duhej t'i shikonin ato - teoria molekulare nuk kishte nevojë të shihte objektin. Por mikrobiologjia u bë e mundur vetëm pas shpikjes së mikroskopit. Prandaj, në fillim, mikroskopët u shoqëruan në mënyrë specifike me mjekësinë dhe biologjinë: fizikanët dhe kimistët që studionin objekte dukshëm më të vogla u mjaftuan me mjete të tjera. Kur ata donin të shikonin mikrobotën, kufizimet e difraksionit u bënë një problem serioz, veçanërisht pasi metodat e përshkruara më sipër mikroskopi fluoreshence ishin ende të panjohura. Dhe ka pak kuptim të rritet rezolucioni nga 500 në 100 nanometra nëse objekti që duhet të ekzaminohet është edhe më i vogël!
Duke ditur që elektronet mund të sillen edhe si valë edhe si grimcë, fizikanët nga Gjermania krijuan një lente elektronike në vitin 1926. Ideja në të cilën qëndronte ishte shumë e thjeshtë dhe e kuptueshme për çdo nxënës shkolle: meqenëse fusha elektromagnetike devijon elektronet, ajo mund të përdoret për të ndryshuar formën e një rrezeje të këtyre grimcave duke i tërhequr ato. anët e ndryshme, ose, anasjelltas, zvogëloni diametrin e rrezes. Pesë vjet më vonë, në vitin 1931, Ernst Ruska dhe Max Knoll ndërtuan mikroskopin e parë elektronik në botë. Në pajisje, kampioni fillimisht u ndriçua nga një rreze elektronesh, dhe më pas një lente elektronike zgjeroi rrezen që kalonte përpara se të binte në një ekran të veçantë lumineshent. Mikroskopi i parë siguroi një zmadhim prej vetëm 400 herë, por zëvendësimi i dritës me elektrone i hapi rrugën fotografisë me një zmadhim qindra mijëra herë: projektuesve iu desh të kapërcenin vetëm disa pengesa teknike.
Një mikroskop elektronik bëri të mundur ekzaminimin e strukturës së qelizave në një cilësi të paarritshme më parë. Por nga ky imazh është e pamundur të kuptohet mosha e qelizave dhe prania e disa proteinave në to dhe ky informacion është shumë i nevojshëm për shkencëtarët.
Tani mikroskopët elektronikë ju lejojnë të fotografoni viruse nga afër. Ekzistojnë modifikime të ndryshme të pajisjeve që lejojnë jo vetëm të ndriçojnë seksione të holla, por edhe t'i ekzaminojnë ato në "dritën e reflektuar" (në elektronet e reflektuara, natyrisht). Ne nuk do të flasim në detaje për të gjitha variantet e mikroskopëve, por vërejmë se kohët e fundit studiuesit kanë mësuar të rindërtojnë një imazh nga një model difraksioni.
Prekni, jo shikoni
Një revolucion tjetër ndodhi përmes një largimi të mëtejshëm nga parimi i "dritës dhe shiko". Mikroskopi i forcës atomike, si dhe skanimi mikroskop tuneli, nuk shkëlqen më asgjë në sipërfaqen e mostrave. Në vend të kësaj, një gjilpërë veçanërisht e hollë lëviz nëpër sipërfaqe, e cila fjalë për fjalë kërcen edhe në parregullsi të madhësisë së një atomi individual.
Pa hyrë në detaje të të gjitha metodave të tilla, vërejmë gjënë kryesore: gjilpëra e një mikroskopi tuneli jo vetëm që mund të zhvendoset përgjatë sipërfaqes, por edhe të përdoret për të riorganizuar atomet nga një vend në tjetrin. Kjo është mënyra se si shkencëtarët krijojnë mbishkrime, vizatime dhe madje edhe karikatura në të cilat një djalë i vizatuar luan me një atom. Një atom i vërtetë ksenoni i tërhequr zvarrë nga maja e një mikroskopi tunelimi skanues.
Një mikroskop tuneli quhet mikroskop sepse përdor efektin e një rryme tunelesh që rrjedh përmes një gjilpëre: elektronet kalojnë nëpër hendekun midis gjilpërës dhe sipërfaqes për shkak të parashikimit. Mekanika kuantike efekt tuneli. Kjo pajisje kërkon një vakum për të funksionuar.
Një mikroskop i forcës atomike (AFM) është shumë më pak i kërkuar për kushtet mjedisore - ai mund (me një numër kufizimesh) të funksionojë pa pompuar ajrin. Në njëfarë kuptimi, AFM është pasardhësi nanoteknologjik i gramafonit. Një gjilpërë e montuar në një kllapë të hollë dhe fleksibël konsol ( konsol dhe ka një "kllapë"), lëviz përgjatë sipërfaqes pa aplikuar tension në të dhe ndjek relievin e kampionit në të njëjtën mënyrë si një gjilpërë gramafoni ndjek përgjatë brazdave të një pllaka gramafoni. Përkulja e konsolit bën që pasqyra e montuar në të të devijojë, pasqyra e devijon rrezen e lazerit dhe kjo bën të mundur përcaktimin me shumë saktësi të formës së mostrës në studim. Gjëja kryesore është të keni një sistem mjaft të saktë për lëvizjen e gjilpërës, si dhe një furnizim gjilpërash që duhet të jenë krejtësisht të mprehta. Rrezja e lakimit në majat e gjilpërave të tilla nuk mund të kalojë një nanometër.
AFM ju lejon të shihni atome individuale dhe molekulat, sidoqoftë, si një mikroskop tunelesh, nuk e lejon njeriun të shikojë nën sipërfaqen e mostrës. Me fjalë të tjera, shkencëtarët duhet të zgjedhin midis aftësisë për të parë atomet dhe aftësisë për të studiuar të gjithë objektin. Megjithatë, edhe për mikroskopët optikë, pjesët e brendshme të mostrave që studiohen nuk janë gjithmonë të aksesueshme, sepse mineralet ose metalet zakonisht nuk e transmetojnë mirë dritën. Për më tepër, ka ende vështirësi me fotografimin e atomeve - këto objekte shfaqen si topa të thjeshtë, forma e reve elektronike nuk është e dukshme në imazhe të tilla.
Rrezatimi sinkrotron, i cili ndodh kur grimcat e ngarkuara të përshpejtuara nga përshpejtuesit ngadalësohen, bën të mundur studimin e mbetjeve të fosilizuara të kafshëve parahistorike. Rrotullimi i mostrës nën rrezet x, ne mund të marrim tomogramë tredimensionale - kështu, për shembull, u gjet truri brenda kafkës së peshkut që u zhduk 300 milion vjet më parë. Është e mundur të bëhet pa rrotullim nëse rrezatimi i transmetuar regjistrohet duke regjistruar rrezet X të shpërndara për shkak të difraksionit.
Dhe këto nuk janë të gjitha mundësitë që hapen rrezatimi me rreze x. Kur rrezatohen me të, shumë materiale fluoreshojnë dhe nga natyra e fluoreshencës mund të përcaktohet përbërje kimike substanca: në këtë mënyrë, shkencëtarët ngjyrosin objekte të lashta, veprat e Arkimedit të fshira në Mesjetë, ose ngjyrosin pendët e zogjve të zhdukur prej kohësh.
Atomet pozojnë
Në sfondin e të gjitha mundësive që ofrojnë metodat me rreze X ose optike-fluoreshente, rruge e re fotografimi i atomeve individuale nuk duket më si një përparim kaq i madh në shkencë. Thelbi i metodës që bëri të mundur marrjen e imazheve të paraqitura këtë javë është si më poshtë: elektronet hiqen nga atomet e jonizuar dhe dërgohen në një detektor të veçantë. Çdo akt jonizimi heq një elektron nga një pozicion i caktuar dhe prodhon një pikë në "fotografi". Pasi grumbulluan disa mijëra pika të tilla, shkencëtarët formuan një fotografi që shfaq vendndodhjet më të mundshme për zbulimin e një elektroni rreth bërthamës së një atomi, dhe kjo, sipas përkufizimit, është një re elektronike.
Si përfundim, aftësia për të parë atome individuale me retë e tyre elektronike është më tepër qershia mbi tortë mikroskopi moderne. Ishte e rëndësishme për shkencëtarët të studionin strukturën e materialeve, të studionin qelizat dhe kristalet, dhe zhvillimi i teknologjisë si rezultat bëri të mundur arritjen e atomit të hidrogjenit. Gjithçka më pak është tashmë sfera e interesit të specialistëve të fizikës grimcat elementare. Dhe biologët, shkencëtarët e materialeve dhe gjeologët kanë ende hapësirë për të përmirësuar mikroskopët, madje edhe me zmadhim mjaft modest në krahasim me sfondin e atomeve. Specialistët e neurofiziologjisë, për shembull, kanë dashur prej kohësh të kenë një pajisje të aftë për të parë qeliza individuale brenda një truri të gjallë dhe krijuesit e roverëve të Marsit do të shesin shpirtrat e tyre për një mikroskop elektronik që mund të vendoset në bord. anije kozmike dhe mund të punojë në Mars.
Mikroskopi elektronik i transmisionit skanues Nion Hermes kushton 3.7 milion £ (5.5 milion dollarë) dhe mund të shohë objekte një milion herë më të vogla se një fije floku njerëzore. Truku kryesor i mikroskopit elektronik është se në vend që të përdorë një rreze fotonesh si mikroskopët e zakonshëm të dritës, ai përdor një rreze elektronesh. Gjatësia e valës së elektronit është më e shkurtër, gjë që lejon zmadhimin më të madh me rezolucion më të mirë.
Sa i përket fushës së aplikimit të një pajisjeje të tillë, ajo është e gjerë. Le të marrim, për fillestarët, inxhinierinë elektrike. Të gjithë preferojnë pajisje kompakte që vishen. Pajisjet tona po bëhen më të vogla dita ditës. Për t'i krijuar ato, ju nevojiten transistorë, gjysmëpërçues dhe pjesë të tjera, por për të krijuar produkte të tilla miniaturë duhet të jeni në gjendje të operoni me materiale në nivelin atomik. Në fund të fundit, nëse shtoni një atom shtesë në strukturën e, për shembull, grafenit, një fletë dydimensionale atomesh karboni, vetë materiali do të ndryshojë! Prandaj, kërkohet kontroll i veçantë atomik për të ruajtur integritetin e materialit.
Shkencëtarët në laboratorin SuperSTEM po zhvillojnë projektin e tyre me disulfidin e molibdenit. Ky është një material tjetër 2D, si grafeni. Përdoret si një katalizator industrial, për shembull për të hequr squfurin nga lëndët djegëse fosile. Kompania kimike daneze Haldor Topsoe po përdor mikroskopë elektronikë për të studiuar se si rirregullimi i atomeve të disulfidit të molibdenit mund të ndikojë në vetitë e tij katalitike.
Super mikroskopi është gjithashtu i kërkuar në nanomjekësi. Mund të përdoret për të kontrolluar se sa mirë është ngjitur një molekulë droge me një nanogrimcë që vepron si transportues droge.
Gjithashtu, me ndihmën e tij mund të merrni parasysh strukturat kristalore grimcat e pluhurit të meteorit. Edhe pse, e gjithë kjo është vetëm një fillim i mirë për të ardhmen.
Le te perpiqemi. Unë nuk mendoj se gjithçka e shkruar më poshtë është plotësisht e drejtë dhe mund të kem humbur diçka, por një analizë e përgjigjeve ekzistuese për pyetje të ngjashme dhe mendimet e mia radhiten kështu:
Le të marrim një atom hidrogjeni: një proton dhe një elektron në orbitën e tij.
Rrezja e një atomi hidrogjeni është pikërisht rrezja e orbitës së elektronit të tij. Në natyrë, është e barabartë me 53 pikometra, domethënë 53x10^-12 metra, por ne duam ta rrisim atë në 30x10^-2 metra - rreth 5 miliardë herë.
Diametri i një protoni (d.m.th., ynë bërthama atomike) - 1,75×10^−15 m Nëse e zmadhoni në madhësinë e dëshiruar, do të jetë 1×10^−5 metra në madhësi, pra një e qindta e milimetrit. Është e padallueshme me sy të lirë.
Le të rrisim protonin në madhësinë e një bizele. Orbita e elektronit atëherë do të jetë rrezja e një fushe futbolli.
Protoni do të përfaqësojë rajonin ngarkesë pozitive. Ai përbëhet nga tre kuarkë, të cilët janë rreth një mijë herë më të vegjël se ai - ne definitivisht nuk do t'i shohim ato. Ekziston një mendim se nëse e spërkatni këtë objekt hipotetik me copa magnetike, ato do të mblidhen rreth qendrës në një re sferike.
Elektroni nuk do të jetë i dukshëm. Asnjë top nuk do të fluturojë rreth bërthamës atomike "orbita" e një elektroni është vetëm një rajon brenda pika të ndryshme në të cilin një elektron mund të gjendet me probabilitete të ndryshme. Ne mund ta imagjinojmë këtë si një sferë me një diametër të një stadiumi rreth bizeles sonë. NË pikat e rastit brenda kësaj sfere lind një negative dhe zhduket menjëherë ngarkesë elektrike. Për më tepër, e bën kaq shpejt, saqë edhe në çdo moment të caktuar kohor nuk ka kuptim të flitet për vendndodhjen e tij specifike... po, është e pakuptueshme. E thënë thjesht, nuk “duket” si asgjë.
Është interesante, nga rruga, që duke zgjeruar një atom në dimensione makroskopike, ne shpresojmë ta "shohim" atë - domethënë të zbulojmë dritën e reflektuar prej tij. Në fakt, atomet me përmasa të zakonshme nuk e reflektojnë dritën në shkallën atomike që po flasim për ndërveprimet ndërmjet elektroneve dhe fotoneve. Një elektron mund të thithë një foton dhe të kalojë në atë tjetër niveli i energjisë, mund të emetojë një foton e kështu me radhë. Shkallëzimi hipotetik i këtij sistemi deri në madhësinë e një fushe futbolli do të kërkonte shumë supozime për të parashikuar sjelljen e kësaj strukture të pamundur: a do të kishte një foton të njëjtin efekt në një atom gjigant? A duhet ta “shikojmë” duke e bombarduar me fotone të veçanta gjigante? A do të lëshojë fotone gjigante? Të gjitha këto pyetje, në mënyrë rigoroze, nuk kanë kuptim. Mendoj, megjithatë, është e sigurt të thuhet se atomi nuk do të reflektojë dritën ashtu siç do ta bënte një top metalik.
Aftësia për të parë grimcat nënatomike me sytë tuaj është jashtëzakonisht e rëndësishme për fizika moderne. Më parë, shkencëtarët tashmë kanë arritur të bëjnë fotografi dhe. Megjithatë, dukej jashtëzakonisht e vështirë për të fotografuar vetë atomin, dhe jo ndonjë pjesë të tij. detyrë e vështirë edhe kur përdorni pajisjet më të teknologjisë së lartë.
Fakti është se sipas ligjeve të mekanikës kuantike, është e pamundur të përcaktohen në mënyrë të barabartë me saktësi të gjitha vetitë grimcë nënatomike. Ky seksion fizikës teorike i ndërtuar mbi parimin e pasigurisë së Heisenberg, i cili thotë se është e pamundur të maten me saktësi koordinatat dhe momentin e një grimce - matjet e sakta të njërës veti sigurisht që do të ndryshojnë të dhënat për tjetrën.
Prandaj, në vend të përcaktimit të vendndodhjes (koordinatat e grimcave), teoria kuantike propozon matjen e të ashtuquajturit funksion valor.
Funksioni i valës funksionon në të njëjtën mënyrë si një valë zanore. I vetmi ndryshim është se përshkrimi matematik valë zanore përcakton lëvizjen e molekulave në ajër në një vend të caktuar, dhe funksioni i valës përshkruan probabilitetin që një grimcë të shfaqet në një vend të caktuar sipas ekuacionit të Shrodingerit.
Matja e funksionit të valës është gjithashtu e vështirë (vëzhgimet e drejtpërdrejta çojnë në kolapsin e saj), por fizikantët teorikë mund të parashikojnë afërsisht vlerat e saj.
Matni në mënyrë eksperimentale të gjithë parametrat funksioni i valësështë e mundur vetëm nëse është mbledhur nga matje të veçanta shkatërruese të kryera në sisteme plotësisht identike të atomeve ose molekulave.
Fizikantë nga Hollanda instituti kërkimor AMOLF prezantoi metodë e re, e cila nuk kërkon ndonjë “ristrukturim”, dhe publikoi rezultatet e punës së tyre në revistën Physical Review Letters. Teknika e tyre bazohet në hipotezën e vitit 1981 tre vjeç Fizikantë teorikë sovjetikë, si dhe në studimet më të fundit.
Gjatë eksperimentit, një ekip shkencëtarësh drejtuan dy rreze lazer në atomet e hidrogjenit të vendosur në një dhomë të veçantë. Si rezultat i këtij ndikimi, elektronet lanë orbitat e tyre me shpejtësinë dhe drejtimin e përcaktuar nga funksionet e tyre valore. Fusha e fortë elektrike në dhomën që përmban atomet e hidrogjenit i drejtoi elektronet në pjesë të veçanta të detektorit planar (të sheshtë).
Pozicioni i elektroneve që godasin detektorin u përcaktua nga ato shpejtësia fillestare, dhe jo pozicioni në kamerë. Kështu, shpërndarja e elektroneve në detektor u tregoi shkencëtarëve për funksionin valor të këtyre grimcave që kishin kur u larguan nga orbita rreth bërthamës së një atomi hidrogjeni.
Lëvizjet e elektroneve u shfaqën në një ekran fosforeshent në formën e unazave të errëta dhe të lehta, të cilat shkencëtarët i fotografuan me një aparat fotografik dixhital me rezolucion të lartë.
“Jemi shumë të kënaqur me rezultatet tona. Mekanika kuantike kaq pak për të bërë jeta e përditshme njerëz që vështirë se dikush do të mendonte të bënte një fotografi të vërtetë ndërveprimet kuantike në atom", thotë autorja kryesore e studimit Aneta Stodolna. Ajo pohon gjithashtu se teknika e zhvilluar mund të ketë përdorim praktik, për shembull, për të krijuar përçues të trashë atomi, duke zhvilluar teknologjinë e telit molekular, e cila do të përmirësojë ndjeshëm pajisjet moderne elektronike.
“Vlen të përmendet se eksperimenti u krye posaçërisht mbi hidrogjenin, i cili është substanca më e thjeshtë dhe më e zakonshme në Universin tonë atome komplekse. Nëse po, atëherë kjo zbulim i madh, e cila do të lejojë zhvillimin jo vetëm të elektronikës, por edhe të nanoteknologjisë”, thotë Jeff Lundeen nga Universiteti i Otavës, i cili nuk ishte i përfshirë në studim.
Sidoqoftë, vetë shkencëtarët që kryen eksperimentin nuk mendojnë për këtë ana praktike pyetje. Ata besojnë se zbulimi i tyre lidhet kryesisht me shkenca themelore, e cila do të ndihmojë në përcjelljen e më shumë njohurive te gjeneratat e ardhshme të fizikantëve.
Në këtë foto po shikoni të parën imazh i drejtpërdrejtë elektroni rrotullohet rreth një atomi - në fakt, funksioni valor i atomit!
Për të fotografuar strukturën orbitale të një atomi hidrogjeni, studiuesit përdorën një mikroskop kuantik të teknologjisë së fundit, një pajisje e pabesueshme që lejon shkencëtarët të shikojnë në fushën e fizikës kuantike.
Struktura orbitale e hapësirës në një atom është e zënë nga një elektron. Por kur përshkruajnë këto veti mikroskopike të materies, shkencëtarët mbështeten në funksionet valore - metodat matematikore përshkrimet e gjendjeve kuantike të grimcave, përkatësisht si sillen ato në hapësirë dhe kohë.
Si rregull, në fizika kuantike përdorni formula të tilla si ekuacioni i Shrodingerit për të përshkruar gjendjet e grimcave.
Pengesat në rrugën e studiuesve
Deri më tani, shkencëtarët kurrë nuk e kishin vëzhguar funksionin e valës. Përpjekja për të kapur pozicionin ose momentin e saktë të një elektroni të vetëm ishte si të përpiqeshit të kapni një tufë mizash. Vëzhgimet e drejtpërdrejta u shtrembëruan nga një fenomen shumë i pakëndshëm - koherenca kuantike.
Për të matur të gjitha gjendjet kuantike, ju nevojitet një mjet që mund të bëjë matje të shumta të gjendjeve të një grimce me kalimin e kohës.
Por si të rritet një gjendje tashmë mikroskopike? grimca kuantike? Një grup studiuesish ndërkombëtarë gjetën përgjigjen. Duke përdorur një mikroskop kuantik, një pajisje që përdor fotojonizimin për të vëzhguar drejtpërdrejt strukturat atomike.
Në artikullin e tij në revistë popullore Letra për rishikim fizik, Aneta Stodolna që punon në institut fizika molekulare(AMOLF) në Holandë përshkruan se si ajo dhe ekipi i saj morën strukturat e orbitaleve të elektroneve të nyjës së një atomi hidrogjeni të vendosur në një fushë elektrike statike.
Metoda e punës
Pas rrezatimit me impulse lazer, elektronet jonizuese lanë orbitat e tyre dhe përgjatë një trajektoreje të matur ranë në një detektor 2D (pllakë me mikrokanal të dyfishtë. Detektori ndodhet pingul me vetë fushën). Ka shumë trajektore përgjatë të cilave elektronet mund të udhëtojnë përpara se të përplasen me detektorin. Kjo u siguron studiuesve një sërë modelesh ndërhyrjesh - modele që pasqyrojnë strukturën nodale të funksionit të valës.
Studiuesit përdorën një lente elektrostatike që zmadhon valën e elektronit në dalje me më shumë se 20,000 herë.
