Elektron bulutlarını yakalayan bir hidrojen atomu. Ve modern fizikçiler, hızlandırıcılar kullanarak bir protonun şeklini bile belirleyebilseler de, görünüşe göre hidrojen atomu, görüntüsüne fotoğraf demek mantıklı olan en küçük nesne olarak kalacak. Lenta.ru bir inceleme sunuyor modern yöntemler Mikro dünyayı fotoğraflamak.
Aslına bakılırsa günümüzde sıradan bir fotoğraf neredeyse kalmadı. Alışkanlıkla fotoğraf dediğimiz ve örneğin Lenta.ru'nun herhangi bir fotoğraf raporunda bulunabilen görüntüler aslında bilgisayar modelleri. Özel bir cihazdaki ışığa duyarlı bir matris (geleneksel olarak "kamera" olarak anılmaya devam eder), ışık yoğunluğunun birkaç farklı spektral aralıktaki mekansal dağılımını belirler, kontrol elektroniği bu verileri dijital biçimde kaydeder ve ardından başka bir elektronik devre Bu verilere dayanarak sıvı kristal ekrandaki transistörlere komutlar verir. Film, kağıt, bunların işlenmesi için özel çözümler - bunların hepsi egzotik hale geldi. Ve kelimenin gerçek anlamını hatırlarsak, fotoğraf “ışıkla boyama” dır. Peki bilim adamlarının başardığını ne söyleyebiliriz? fotoğrafa atom, yalnızca makul miktarda bir konvansiyonla mümkündür.
Tüm astronomik görüntülerin yarısından fazlası uzun süredir kızılötesi, morötesi ve X-ışını teleskoplarıyla çekilmiştir. Elektron mikroskopları ışıkla değil, bir elektron ışınıyla ışınlama yaparken, atomik kuvvet mikroskopları numunenin kabartmasını bir iğneyle bile tarar. X-ışını mikroskopları ve manyetik rezonans görüntüleme tarayıcıları vardır. Tüm bu cihazlar bize doğru görüntüler veriyor çeşitli nesneler ve elbette burada "ışıkla boyama" dan bahsetmeye gerek olmamasına rağmen, yine de bu tür görüntülere fotoğraf dememize izin vereceğiz.
Fizikçilerin protonun şeklini veya kuarkların parçacıklar içindeki dağılımını belirlemeye yönelik deneyleri perde arkasında kalacak; Hikayemiz atom ölçeğiyle sınırlı olacak.
Optik asla eskimez
20. yüzyılın ikinci yarısında ortaya çıktığı gibi, optik mikroskopların hala geliştirilmeye ihtiyacı var. Biyolojik ve biyolojik açıdan belirleyici bir an tıbbi araştırma floresan boyaların ve seçici etiketlemeye izin veren yöntemlerin ortaya çıkışıydı belirli maddeler. Bu "sadece yeni bir kat boya" değildi, gerçek bir devrimdi.
Popüler inanışın aksine, floresans kesinlikle karanlıkta bir parıltı değildir (ikincisine lüminesans denir). Bu, belirli bir enerjinin kuantumunun (mesela mavi ışık) emilmesi ve ardından daha düşük enerjili diğer kuantumların ve buna bağlı olarak diğer ışığın (mavi emildiğinde yeşil olanlar yayılacaktır) emisyonu olgusudur. Yalnızca boyanın yaydığı kuantumu ileten ve floresansa neden olan ışığı engelleyen bir ışık filtresi takarsanız, parlak boya noktaları içeren koyu bir arka plan görebilirsiniz ve boyalar da numuneyi son derece seçici bir şekilde renklendirebilir.
Örneğin hücre iskeletini boyayabilirsiniz sinir hücresi kırmızı, sinapslar yeşil renkle vurgulanmış ve çekirdek mavi renkle vurgulanmıştır. Zardaki protein reseptörlerini veya hücrenin belirli koşullar altında sentezlediği molekülleri tespit etmenizi sağlayacak floresan etiket yapabilirsiniz. İmmünhistokimyasal boyama yöntemi devrim yarattı biyolojik bilim. Ve ne zaman genetik mühendisleri Floresan proteinlerle transgenik hayvanlar yapmayı öğrendikten sonra bu yöntem yeniden doğuşu deneyimledi: örneğin renkli proteinlere sahip fareler farklı renkler nöronlar.
Ek olarak mühendisler, eş odaklı mikroskopi adı verilen yöntemi buldular (ve uyguladılar). Bunun özü, mikroskobun çok odaklandığı gerçeğinde yatmaktadır. ince tabaka ve özel bir diyafram bu katmanın dışındaki nesnelerin ürettiği ışığı keser. Böyle bir mikroskop, bir numuneyi yukarıdan aşağıya doğru sırayla tarayabilir ve üç boyutlu bir model için hazır bir temel olan bir görüntü yığını elde edebilir.
Lazerlerin ve karmaşık optik ışın kontrol sistemlerinin kullanılması, boyanın tükenmesi ve hassas biyolojik örneklerin kuruması sorununu çözmeyi mümkün kılmıştır. parlak ışık: Lazer ışını numuneyi yalnızca görüntüleme için gerektiğinde tarar. Mühendisler, büyük bir örneği dar görüş alanına sahip bir göz merceğinden incelerken zaman ve çaba harcamamak için şunu önerdi: otomatik sistem tarama: modern bir mikroskobun sahnesine numune içeren bir bardak koyabilirsiniz ve cihaz bağımsız olarak tüm numunenin büyük ölçekli bir panoramasını çekecektir. Aynı zamanda doğru yerlere odaklanacak ve ardından birçok kareyi bir araya getirecek.
Bazı mikroskoplar canlı fareler, sıçanlar veya en azından küçük omurgasız hayvanları içerebilir. Diğerleri hafif bir büyütme sağlar ancak bir X-ışını makinesiyle birleştirilir. Titreşimlerden kaynaklanan paraziti ortadan kaldırmak için birçoğu, dikkatlice kontrol edilen bir mikro iklime sahip odaların içindeki birkaç ton ağırlığındaki özel masalara monte edilir. Bu tür sistemlerin maliyeti diğer elektron mikroskoplarının maliyetini aşıyor ve en iyileri için rekabet ediyor. güzel çerçeve uzun zamandır bir gelenek haline geldi. Buna ek olarak, optik alanındaki gelişmeler devam ediyor: mühendisler en iyi cam türlerini aramaktan ve en uygun lens kombinasyonlarını seçmeye kadar ışığa odaklanmanın yollarını da araştırdılar.
Aşağıdakileri göstermek için bir dizi teknik ayrıntıyı özel olarak listeledik: bu alanda kaydedilen ilerleme biyolojik araştırma uzun süredir diğer alanlardaki ilerlemeyle ilişkilendirilmektedir. Birkaç yüz fotoğraftaki lekeli hücrelerin sayısını otomatik olarak sayabilecek bir bilgisayar olmasaydı, süpermikroskopların pek bir faydası olmayacaktı. Floresan boyalar olmasaydı milyonlarca hücre birbirinden ayırt edilemez hale gelirdi, dolayısıyla yenilerinin oluşumunu veya eskilerinin ölümünü izlemek neredeyse imkansız olurdu.
Aslında ilk mikroskop, üzerine küresel bir merceğin takıldığı bir kelepçeydi. Böyle bir mikroskobun bir analogu, içinde bir delik ve bir damla su bulunan basit bir oyun kartı olabilir. Bazı haberlere göre benzer cihazlar geçen yüzyılda Kolyma'daki altın madencileri tarafından da kullanılıyordu.
Kırınım sınırının ötesinde
Optik mikroskopların temel bir dezavantajı vardır. Gerçek şu ki, ışık dalgalarının şeklini kullanarak, dalga boyundan çok daha kısa olduğu ortaya çıkan nesnelerin şeklini yeniden oluşturmak imkansızdır: aynı başarı ile malzemenin ince dokusunu elinizle incelemeyi deneyebilirsiniz. kalın bir kaynak eldiveni.
Kırınımın yarattığı sınırlamalar, fizik kanunları ihlal edilmeden kısmen aşılmıştır. Optik mikroskopların kırınım bariyerinin altına dalmasına yardımcı olan iki durum vardır: Floresans sırasında kuantumların ayrı ayrı boya molekülleri tarafından yayılması (bunlar birbirinden oldukça uzak olabilir) ve ışık dalgalarının üst üste binmesi nedeniyle bunun mümkün olması gerçeği. dalga boyundan daha küçük bir çapa sahip parlak bir nokta elde edin.
Birbiri üzerine bindirildiğinde ışık dalgaları birbirlerini karşılıklı olarak söndürebilme yeteneğine sahiptirler, bu nedenle örnek aydınlatma parametreleri mümkün olan en küçük alan parlak alana düşecek şekilde ayarlanmalıdır. İle bütünlüğünde matematiksel algoritmalarörneğin görüntüdeki gölgelenmeyi ortadan kaldıran bu tür yönlü aydınlatma, çekim kalitesinde keskin bir artış sağlar. Örneğin, bir optik mikroskop kullanarak hücre içi yapıları incelemek ve hatta (tarif edilen yöntemi eş odaklı mikroskopi ile birleştirerek) bunların üç boyutlu görüntülerini elde etmek mümkün hale gelir.
Elektron mikroskobundan elektronik aletlere
Bilim adamlarının atomları ve molekülleri keşfetmek için onlara bakmalarına gerek yoktu. moleküler teori nesneyi görmesine gerek yoktu. Ancak mikrobiyoloji ancak mikroskobun icadından sonra mümkün olabildi. Bu nedenle, ilk başta mikroskoplar özellikle tıp ve biyoloji ile ilişkilendirildi: önemli ölçüde daha küçük nesneler üzerinde çalışan fizikçiler ve kimyagerler başka yollarla idare ettiler. Mikro dünyaya bakmak istediklerinde, özellikle yukarıda açıklanan yöntemlerden dolayı kırınım sınırlamaları ciddi bir sorun haline geldi. Floresan mikroskobu hâlâ bilinmiyordu. İncelenmesi gereken nesne daha da küçükse çözünürlüğü 500 nanometreden 100 nanometreye çıkarmanın pek bir anlamı yok!
Elektronların hem dalga hem de parçacık olarak davranabileceğini bilen Alman fizikçiler 1926'da bir elektron merceği yarattılar. Bunun altında yatan fikir her okul çocuğu için çok basit ve anlaşılırdı: Elektromanyetik alan elektronları saptırdığından, bu parçacıkları birbirinden ayırarak bir ışının şeklini değiştirmek için kullanılabilir. farklı taraflar veya tam tersine ışın çapını azaltın. Beş yıl sonra, 1931'de Ernst Ruska ve Max Knoll dünyanın ilk elektron mikroskobunu yaptılar. Cihazda, numune önce bir elektron ışınıyla aydınlatılıyor, ardından bir elektron merceği, içinden geçen ışını özel bir ışıldayan ekrana düşmeden önce genişletiyor. İlk mikroskop yalnızca 400 kat büyütme sağlıyordu, ancak ışığın yerini elektronların alması, yüzbinlerce kez büyütme sağlayan fotoğrafçılığa giden yolu açtı: Tasarımcıların yalnızca birkaç teknik engeli aşması gerekiyordu.
Elektron mikroskobu, hücrelerin yapısını daha önce ulaşılamayan bir kalitede incelemeyi mümkün kıldı. Ancak bu görüntüden hücrelerin yaşını ve içlerinde bazı proteinlerin varlığını anlamak imkansızdır ve bu bilgi bilim adamları için çok gereklidir.
Artık elektron mikroskopları virüslerin fotoğrafını çekmenize olanak sağlıyor kapatmak. Yalnızca ince kesitlerin aydınlatılmasına değil, aynı zamanda bunların "yansıyan ışıkta" (tabii ki yansıyan elektronlarda) incelenmesine de olanak tanıyan çeşitli cihaz modifikasyonları vardır. Mikroskopların tüm çeşitleri hakkında ayrıntılı olarak konuşmayacağız, ancak son zamanlarda araştırmacıların bir kırınım deseninden bir görüntüyü yeniden oluşturmayı öğrendiklerini not ediyoruz.
Bakmak değil, dokunmak
“Işık ve gör” ilkesinden daha da uzaklaşılmasıyla bir devrim daha gerçekleşti. Atomik kuvvet mikroskobu ve tarama tünel mikroskobu artık numunelerin yüzeyinde hiçbir şey parlamaz. Bunun yerine, özellikle ince bir iğne yüzey boyunca hareket ediyor ve bu, tek bir atom büyüklüğündeki düzensizliklerin üzerinde bile kelimenin tam anlamıyla sekiyor.
Tüm bu yöntemlerin ayrıntılarına girmeden, asıl noktaya dikkat çekiyoruz: tünel mikroskobunun iğnesi yalnızca yüzey boyunca hareket ettirmekle kalmaz, aynı zamanda atomları bir yerden bir yere yeniden düzenlemek için de kullanılabilir. Bilim insanları, çizilmiş bir çocuğun atomla oynadığı yazıları, çizimleri ve hatta karikatürleri bu şekilde yaratıyor. Taramalı tünelleme mikroskobunun ucu tarafından sürüklenen gerçek bir ksenon atomu.
Tünel mikroskobuna mikroskop denir çünkü bir iğneden geçen tünelleme akımının etkisini kullanır: elektronlar, tahmin edilen etki nedeniyle iğne ile yüzey arasındaki boşluktan geçer. Kuantum mekaniği tünel etkisi. Bu cihazın çalışması için vakum gerekir.
Atomik kuvvet mikroskobu (AFM) çevre koşullarına çok daha az ihtiyaç duyar; (bir takım kısıtlamalarla birlikte) havayı dışarı pompalamadan çalışabilir. AFM bir bakıma gramofonun nanoteknolojik halefidir. İnce ve esnek bir konsol braketine monte edilmiş bir iğne ( konsol ve bir "braket") vardır, üzerine voltaj uygulamadan yüzey boyunca hareket eder ve bir gramofon iğnesinin bir gramofon plağının oyuklarını takip etmesi gibi, numunenin kabartmasını takip eder. Konsolun bükülmesi, ona bağlı aynanın sapmasına neden olur; ayna, lazer ışınını saptırır ve bu, incelenen numunenin şeklinin çok doğru bir şekilde belirlenmesine olanak tanır. Önemli olan, iğneyi hareket ettirmek için oldukça hassas bir sistemin yanı sıra tamamen keskin olması gereken bir iğne kaynağına sahip olmaktır. Bu tür iğnelerin uçlarındaki eğrilik yarıçapı bir nanometreyi geçemez.
AFM görmenizi sağlar bireysel atomlar Ancak moleküller, tıpkı bir tünel mikroskobu gibi, numunenin yüzeyinin altına bakılmasına izin vermez. Başka bir deyişle, bilim adamları atomları görebilmek ile nesnenin tamamını inceleyebilmek arasında seçim yapmak zorundadır. Bununla birlikte, optik mikroskoplar için bile incelenen numunelerin iç kısımlarına her zaman erişilemiyor çünkü mineraller veya metaller genellikle ışığı iyi iletmiyor. Ek olarak, atomların fotoğrafını çekmede hâlâ zorluklar var; bu nesneler basit toplar gibi görünüyor, elektron bulutlarının şekli bu tür görüntülerde görünmüyor.
Hızlandırıcılar tarafından hızlandırılan yüklü parçacıkların yavaşlatılmasıyla ortaya çıkan sinkrotron radyasyonu, tarih öncesi hayvanların fosilleşmiş kalıntılarını incelemeyi mümkün kılıyor. Numuneyi aşağıda döndürme röntgenüç boyutlu tomogramlar elde edebiliyoruz - örneğin 300 milyon yıl önce nesli tükenen bir balığın kafatasının içinde beyin bu şekilde bulundu. Kırınım nedeniyle saçılan X-ışınlarının kaydedilmesiyle iletilen radyasyonun kaydedilmesi durumunda dönme olmadan yapmak mümkündür.
Ve açılan fırsatların hepsi bu değil x-ışını radyasyonu. Bununla ışınlandığında birçok malzeme floresans yayar ve floresansın doğası gereği belirlenebilir. kimyasal bileşim maddeler: Bu şekilde bilim adamları eski eserleri, Orta Çağ'da silinen Arşimet'in eserlerini veya nesli tükenmiş kuşların tüylerini renklendiriyor.
Atomlar poz
X-ışını veya optik-floresan yöntemlerinin sağladığı tüm fırsatların arka planında, yeni yol Tek tek atomların fotoğraflanması artık bilimde o kadar da büyük bir atılım gibi görünmüyor. Bu hafta sunulan görüntülerin elde edilmesini mümkün kılan yöntemin özü şu: Elektronlar iyonize atomlardan ayrıştırılıyor ve özel bir detektöre gönderiliyor. Her iyonizasyon eylemi, bir elektronu belirli bir konumdan uzaklaştırır ve “fotoğrafta” bir nokta verir. Bu tür birkaç bin noktayı toplayan bilim adamları, bir atomun çekirdeği etrafındaki bir elektronu tespit etmek için en muhtemel yerleri gösteren bir resim oluşturdular ve bu, tanımı gereği bir elektron bulutudur.
Sonuç olarak, tek tek atomları elektron bulutlarıyla birlikte görebilmek, pastanın kreması gibidir. modern mikroskopi. Bilim adamlarının malzemelerin yapısını incelemesi, hücreleri ve kristalleri incelemesi önemliydi ve bunun sonucunda gelişen teknoloji hidrojen atomuna ulaşmayı mümkün kıldı. Daha azı zaten fizik uzmanlarının ilgi alanıdır temel parçacıklar. Ve biyologlar, malzeme bilimcileri ve jeologlar, atomların arka planıyla karşılaştırıldığında oldukça mütevazı bir büyütmeyle bile mikroskopları geliştirmek için hala alana sahipler. Örneğin nörofizyoloji uzmanları, uzun zamandır canlı bir beyindeki tek tek hücreleri görebilecek bir cihaza sahip olmak istiyorlardı ve Mars gezicilerinin yaratıcıları, gemiye sığabilecek bir elektron mikroskobu için ruhlarını satarlardı. uzay aracı ve Mars'ta çalışabilir.
Nion Hermes Taramalı Transmisyon Elektron Mikroskobunun maliyeti 3,7 milyon £ (5,5 milyon $) ve insan saçından milyon kat daha küçük nesneleri görebiliyor. Elektron mikroskobunun ana özelliği, geleneksel ışık mikroskopları gibi bir foton ışınını kullanmak yerine bir elektron ışınını kullanmasıdır. Elektron dalga boyu daha kısadır, bu da daha iyi çözünürlükle daha fazla büyütmeye olanak sağlar.
Böyle bir cihazın uygulama kapsamına gelince, oldukça kapsamlıdır. Başlangıç olarak elektrik mühendisliğini ele alalım. Herkes kompakt giyilebilir cihazları tercih ediyor. Cihazlarımız her geçen gün küçülüyor. Bunları oluşturmak için transistörlere, yarı iletkenlere ve diğer parçalara ihtiyacınız var, ancak bu tür minyatür ürünler oluşturmak için atom seviyesindeki malzemelerle çalışabilmeniz gerekir. Sonuçta, örneğin iki boyutlu bir karbon atomu tabakası olan grafenin yapısına fazladan bir atom eklerseniz, malzemenin kendisi değişecektir! Bu nedenle malzemenin bütünlüğünü korumak için özel atomik kontrol gereklidir.
SuperSTEM laboratuvarındaki bilim insanları projelerini molibden disülfit ile geliştiriyorlar. Bu da grafen gibi başka bir 2 boyutlu malzeme. Örneğin fosil yakıtlardan kükürdün uzaklaştırılması için endüstriyel bir katalizör olarak kullanılır. Danimarkalı kimya şirketi Haldor Topsoe, molibden disülfit atomlarının yeniden düzenlenmesinin katalitik özelliklerini nasıl etkileyebileceğini incelemek için elektron mikroskopları kullanıyor.
Süper mikroskop nanotıpta da talep görüyor. Bir ilaç molekülünün, ilaç taşıyıcısı görevi gören bir nanopartiküle ne kadar güvenli bir şekilde bağlandığını kontrol etmek için kullanılabilir.
Ayrıca, onun yardımıyla düşünebilirsiniz kristal yapılar göktaşı tozu parçacıkları. Ancak tüm bunlar gelecek için sadece iyi bir başlangıç.
Hadi deneyelim. Aşağıda yazılan her şeyin tamamen adil olduğunu düşünmüyorum ve bir şeyleri kaçırmış olabilirim, ancak mevcut cevapların bir analizi benzer sorular ve kendi düşüncelerim şu şekilde sıralandı:
Bir hidrojen atomunu ele alalım: Yörüngesinde bir proton ve bir elektron.
Bir hidrojen atomunun yarıçapı tam olarak elektronunun yörüngesinin yarıçapıdır. Doğada 53 pikometreye yani 53x10^-12 metreye eşit ama biz bunu 30x10^-2 metreye yani yaklaşık 5 milyar katına çıkarmak istiyoruz.
Bir protonun çapı (yani bizim atom çekirdeği) - 1.75×10^−15 m. İstenilen boyuta büyütürseniz 1×10^−5 metre yani milimetrenin yüzde biri boyutunda olacaktır. Çıplak gözle ayırt edilemez.
Bunun yerine protonu bezelye büyüklüğüne çıkaralım. Elektronun yörüngesi o zaman bir futbol sahasının yarıçapı olacaktır.
Proton bölgeyi temsil edecek pozitif yük. Kendisinden yaklaşık bin kat daha küçük olan üç kuarktan oluşur - onları kesinlikle görmeyeceğiz. Bu varsayımsal nesneye manyetik talaş serperseniz, merkezin etrafında küresel bir bulut halinde toplanacaklarına dair bir görüş var.
Elektron görünmeyecek. Atom çekirdeğinin etrafında hiçbir top uçmayacak; bir elektronun “yörüngesi” sadece bir bölgedir. farklı noktalar Bir elektronun farklı olasılıklarla bulunabileceği yer. Bunu bezelyemizin etrafında stadyum çapında bir küre olarak hayal edebiliriz. İÇİNDE rastgele noktalar Bu kürenin içinde olumsuz bir şey ortaya çıkıyor ve anında yok oluyor elektrik şarjı. Üstelik bunu o kadar hızlı yapıyor ki, herhangi bir anda bile bulunduğu yer hakkında konuşmak anlamsız... evet, anlaşılmaz. Basitçe söylemek gerekirse, hiçbir şeye "benzemiyor".
Bu arada ilginçtir ki, bir atomu makroskobik boyutlara genişleterek onu "görmeyi", yani ondan yansıyan ışığı tespit etmeyi umuyoruz. Aslında sıradan büyüklükteki atomlar ışığı yansıtmaz; atom ölçeğinde elektronlar ve fotonlar arasındaki etkileşimlerden bahsediyoruz. Bir elektron bir fotonu soğurabilir ve bir sonrakine geçebilir enerji seviyesi, bir foton vb. yayabilir. Varsayımsal olarak bu sistemi bir futbol sahası büyüklüğüne kadar ölçeklendirmek, bu imkansız yapının davranışını tahmin etmek için çok fazla varsayım gerektirecektir: Bir foton dev bir atom üzerinde aynı etkiye sahip olur mu? Onu özel dev fotonlarla bombardıman ederek “bakmamız” mı gerekiyor? Dev fotonlar mı yayacak? Aslına bakılırsa tüm bu soruların hiçbir anlamı yok. Ancak atomun ışığı metal bir top gibi yansıtmayacağını söylemek yanlış olmaz diye düşünüyorum.
Atom altı parçacıkları kendi gözlerinizle görebilme yeteneği son derece önemlidir. modern fizik. Daha önce bilim adamları zaten fotoğraf çekmeyi başarmışlardı. Ancak atomun herhangi bir parçasını değil, kendisini fotoğraflamak son derece zor görünüyordu. zor görev en yüksek teknolojiye sahip cihazları kullanırken bile.
Gerçek şu ki, kuantum mekaniği yasalarına göre, tüm özellikleri eşit derecede doğru bir şekilde belirlemek imkansızdır. atom altı parçacık. Bu bölüm teorik fizik Bir parçacığın koordinatlarını ve momentumunu eşit derecede doğru olarak ölçmenin imkansız olduğunu belirten Heisenberg belirsizlik ilkesi üzerine inşa edilmiştir; bir özelliğin doğru ölçümü diğerine ilişkin verileri kesinlikle değiştirecektir.
Bu nedenle konumu (parçacık koordinatlarını) belirlemek yerine, kuantum teorisi dalga fonksiyonunun ölçülmesini önermektedir.
Dalga fonksiyonu ses dalgasıyla hemen hemen aynı şekilde çalışır. Tek fark şu ki matematiksel açıklama ses dalgası havadaki moleküllerin belirli bir yerdeki hareketini belirler ve dalga fonksiyonu Schrödinger denklemine göre bir parçacığın belirli bir yerde ortaya çıkma olasılığını açıklar.
Dalga fonksiyonunu ölçmek de zordur (doğrudan gözlemler onun çökmesine neden olur), ancak teorik fizikçiler değerlerini kabaca tahmin edebilirler.
Tüm parametreleri deneysel olarak ölçün dalga fonksiyonu ancak tamamen aynı atom veya molekül sistemleri üzerinde gerçekleştirilen ayrı yıkıcı ölçümlerden bir araya getirildiğinde mümkündür.
Hollandalı fizikçiler Araştırma Enstitüsü AMOLF sunuldu yeni yöntem herhangi bir “yeniden yapılanma” gerektirmeyen ve çalışmalarının sonuçlarını Physical Review Letters dergisinde yayınladı. Teknikleri 1981 hipotezine dayanıyor üç yaşında Sovyet teorik fizikçileri ve daha yeni çalışmalarda olduğu gibi.
Deney sırasında bilim adamlarından oluşan bir ekip, özel bir odaya yerleştirilen hidrojen atomlarına iki lazer ışınını yönlendirdi. Bu çarpma sonucunda elektronlar, dalga fonksiyonlarının belirlediği hız ve yönde yörüngelerinden ayrıldılar. Hidrojen atomlarını içeren bölmedeki güçlü elektrik alanı, elektronları düzlemsel (düz) dedektörün belirli bölümlerine yönlendirdi.
Dedektöre çarpan elektronların konumu, Başlangıç hızı ve kameradaki konum değil. Böylece elektronların dedektör üzerindeki dağılımı, bilim adamlarına bu parçacıkların hidrojen atomunun çekirdeği etrafındaki yörüngeden çıktıklarında sahip oldukları dalga fonksiyonu hakkında bilgi verdi.
Elektronların hareketleri, bilim adamlarının yüksek çözünürlüklü bir dijital kamera ile fotoğrafladığı koyu ve açık halkalar şeklinde fosforlu bir ekranda görüntülendi.
"Sonuçlarımızdan çok memnunuz. Kuantum mekaniği ilgisi çok az gündelik Yaşam gerçek bir fotoğraf çekmeyi neredeyse hiç kimsenin düşünemeyeceği insanlar kuantum etkileşimleriÇalışmanın başyazarı Aneta Stodolna, "Atomun içinde" diyor. Ayrıca geliştirilen tekniğin pratik kullanımÖrneğin, modern elektronik cihazları önemli ölçüde geliştirecek olan moleküler tel teknolojisini geliştirerek atom kalınlığında iletkenler oluşturmak.
“Deneyin özellikle evrenimizdeki hem en basit hem de en yaygın madde olan hidrojen üzerinde gerçekleştirilmiş olması dikkat çekici. Bu tekniğin daha fazla maddeye uygulanıp uygulanamayacağını anlamak gerekecek. karmaşık atomlar. Eğer evet ise, o zaman bu büyük atılım Bu sadece elektroniğin değil aynı zamanda nanoteknolojinin de gelişmesine olanak sağlayacak" diyor çalışmaya dahil olmayan Ottawa Üniversitesi'nden Jeff Lundeen.
Ancak deneyi yapan bilim adamlarının kendileri bunu düşünmüyorlar. pratik tarafı soru. Keşiflerinin öncelikle aşağıdakilerle ilgili olduğuna inanıyorlar: temel bilim Bu da gelecek nesil fizikçilere daha fazla bilgi aktarılmasına yardımcı olacak.
Bu fotoğrafta ilkine bakıyorsunuz doğrudan görüntü Elektron bir atomun etrafında yörüngede döner - aslında atomun dalga fonksiyonu!
Bir hidrojen atomunun yörünge yapısını fotoğraflamak için araştırmacılar, bilim adamlarının kuantum fiziği alanına bakmasına olanak tanıyan inanılmaz bir cihaz olan son teknoloji kuantum mikroskobunu kullandılar.
Bir atomdaki uzayın yörünge yapısı bir elektron tarafından işgal edilmiştir. Ancak maddenin bu mikroskobik özelliklerini tanımlarken bilim insanları dalga fonksiyonlarına güveniyorlar. matematiksel yöntemler parçacıkların kuantum durumlarının tanımları, yani onların uzay ve zamanda nasıl davrandıkları.
Kural olarak, kuantum fiziği Parçacıkların durumlarını tanımlamak için Schrödinger denklemi gibi formüller kullanın.
Araştırmacıların yolundaki engeller
Şimdiye kadar bilim insanları dalga fonksiyonunu hiç gözlemlememişti. Tek bir elektronun tam konumunu veya momentumunu yakalamaya çalışmak, bir sinek sürüsünü yakalamaya çalışmak gibiydi. Doğrudan gözlemler çok hoş olmayan bir olayla, kuantum tutarlılığıyla çarpıtıldı.
Tüm kuantum durumlarını ölçmek için, bir parçacığın zaman içindeki durumlarının birden fazla ölçümünü yapabilen bir araca ihtiyacınız vardır.
Peki zaten mikroskobik bir durum nasıl artırılır? kuantum parçacığı? Bir grup uluslararası araştırmacı cevabı buldu. Atomik yapıları doğrudan gözlemlemek için fotoiyonizasyon kullanan bir cihaz olan kuantum mikroskobunu kullanan.
adlı makalesinde popüler dergi Fiziksel İnceleme Mektupları, Enstitüde çalışan Aneta Stodolna moleküler fizik Hollanda'daki (AMOLF), kendisinin ve ekibinin, statik elektrik alanına yerleştirilen bir hidrojen atomunun düğüm elektron yörüngelerinin yapılarını nasıl elde ettiğini anlatıyor.
Çalışma yöntemi
Lazer darbeleriyle ışınlamanın ardından iyonize elektronlar yörüngelerini terk ettiler ve ölçülen bir yörünge boyunca 2 boyutlu bir dedektöre (çift mikrokanallı plaka. Dedektör alanın kendisine dik olarak yerleştirilmiştir) düştü. Elektronların dedektörle çarpışmadan önce hareket edebileceği birçok yörünge vardır. Bu, araştırmacılara bir dizi girişim deseni (dalga fonksiyonunun düğüm yapısını yansıtan modeller) sağlar.
Araştırmacılar, giden elektron dalgasını 20.000 kattan fazla büyüten elektrostatik bir mercek kullandılar.
