Как ученые уронили электрон на ядро

Американские физики смогли экспериментально доказать гипотезу атомного коллапса. Речь идет о явлении, которое считалось чисто теоретическим, — падении электрона на атомное ядро с образованием потока античастиц позитронов. И вот ученым все-таки удалось уронить электрон на ядро, причем без помощи сверхмощных ускорителей.

Каждый школьник знает, что электрон, вращаясь вокруг атомного ядра, упасть на него не может, поскольку, согласно второму постулату Бора, эта частица движется в атоме по дискретным круговым орбитам, не теряя при этом энергии. Ну, а раз так, то что бы ни случилось, он по ним всегда и будет двигаться именно там, где положено, и на ядро никогда не упадет. Поэтому гипотетическое явление, называемое физиками "коллапсом атомов", когда электрон, нарушая постулат Бора, с огромной скоростью врезается в ядро и вызывает образование потока позитронов, долгое время считалось невозможным на практике.

Однако еще во второй половине прошлого века теоретические расчеты показали, что коллапс атомов может наступить при заряде ядер последних, превышающих значение в 137. А самые последние работы теоретиков подняли эту цифру аж до 170. Однако даже в таком случае коллапс атомов все равно остается недостижимым на практике, поскольку до сих пор ученым не удалось получить элемент, заряд ядра которого превысил бы значение в 118.

Однако физики, как и любые нормальные герои из известной песни, тоже часто идут в обход — если не получается найти атом с нужным ядром, то вполне возможно устроить столкновение двух тяжелых атомов на ускорителе, например, двух изотопов урана 92. В момент столкновения по идее должен наблюдаться эффект, похожий на коллапс. Тем не менее, ученые проводили подобные эксперименты уже много лет, но вот ожидаемого разрушения атома с образованием позитронов детекторами зафиксировано не было.

Впрочем, как заявляет физик Леонид Левитов из Массачусетского технологического университета (США), отчаиваться рано, ибо обходных путей всегда много. Он и его коллеги разработали интересную схему эксперимента с участием новомодного материала графена в качестве подложки. Как мы помним, последний представляет собой углеродную решетку в один атом толщиной. В связи с этим электроны в графене ведут себя несколько странно — словно бы они безмассовые частицы вроде фотонов (хотя на самом деле масса у них, как вы понимаете, есть). Впрочем, двигаются они по решетке все равно медленнее, чем это делали бы настоящие безмассовые частицы.

Исходя из этого, американские физики рассчитали, что если помещенный на такую подложку некий атом с зарядом, сильно меньшим, нежели указанное значение в 170, захватит такой электрон, то будет наблюдаться эффект, напоминающий тот самый атомный коллапс. "Такие атомы, как ожидалось, сколлапсируют, "забрав" электрон из подложки, притянув его к ядру и получив избыточный заряд", — поясняет суть процесса сам разработчик эксперимента Леонид Левитов. В качестве же таких обреченных на коллапс атомов ученые решили использовать димеры (то есть атомные пары) кальция. Все события, происходящие на подложке, фиксировались экспериментаторами при помощи сканирующего туннельного микроскопа.

В итоге выяснилось, что когда три таких димера оказывались близко друг к другу, то они начинали вести себя так, как это делало бы огромное атомное ядро. И при захвате электрона из графеновой подложки ученые наблюдали специфический спектр резонансов, точно совпадавших с теми, что десятилетие назад были предсказаны для коллапса атома. Интересно, что такой же эффект был замечен и при захвате электрона искусственным ядром из четырех и даже пяти димеров (большая комбинация оказывалась неустойчивой).

Итак, как видите, проведенный эксперимент подтвердил большинство расчетов, связанных с предполагаемым коллапсом атомов. То есть ученым удалось добиться подтверждения данной гипотезы экспериментальным путем, и она автоматически перешла из разряда теоретических в группу рабочих. Впрочем, кое-что все-таки пошло не так, как планировалось. Как написано в статье, опубликованной в журнале Science, любое удаление заряда от такого искусственного ядра из нескольких димеров давала совершенно другую реакцию электронов в них, нежели следовало из расчетов.

"Это значит, что там происходит что-то, чего мы не понимаем", — считает Леонид Левитов.

По его мнению, для того, чтобы выяснить в чем тут дело, нужен еще ряд экспериментов.

Ученые также уверены в том, что их эксперименты имеют не только чисто теоретическое, но и еще практическое значение. Нет, конечно же никто не собирается разрабатывать описанное многими фантастами "аннигиляционное" оружие — масштаб коллапса в этих экспериментах все-таки немножко не тот. Однако данная работа, во-первых, проливает свет на многие свойства графена, которые еще недостаточно изучены, а, во-вторых, открывает перспективы использования таких искусственных ядер на графеновой подложке в качестве химических и биологических сверхточных детекторов. Так что, как ни крути, а атомный коллапс — вещь в хозяйстве все же полезная…