Получена фотография атома водорода

Долгое время ученым не удавалось заглянуть внутрь атома — данная система просто "рассыпалась" от любой подобной попытки. Однако недавно члены международной научной группы смогли это сделать — они сфотографировали атом водорода таким, какой он есть. И помогла им в этом методика, разработанная отечественными физиками более 30 лет тому назад.

Фото:

Как мы знаем, атом любого элемента можно изучать лишь косвенным путем, а вот сфотографировать практически невозможно. Происходит это от того, что каждый атом является квантовой системой, и вместо точного местонахождения электрона в конкретный момент времени ученые имеют дело лишь с описанием его "адреса" в виде волновой функции, дающей вероятность обнаружения частицы в том или ином месте. Ну, а раз нельзя точно определить местоположение частицы, то как же ее фотографировать?

Волновую функцию, конечно же, можно рассчитать и, соответственно, предугадать, где в конкретный момент будет находиться неуловимый электрон. Однако это легко сделать лишь на бумаге, а вот при попытках сфотографировать его данная частица столкнется с фотоном из-за чего произойдет коллапс этой самом волновой функции и электрон окажется совсем не там, где он должен был быть. То есть в данном случае, как это и было предсказано Вернером Гейзенбергом более полувека назад, сама попытка измерения системы вызовет резкое изменения всех ее свойств.

Несмотря на то, что фототехника сейчас весьма усовершенствовалась, сделать фотографию атома изнутри до недавнего времени никому не удавалось. Члены международной научной группы под общим руководством Анеты Стодольна из лаборатории AMOLF Нидерландского фонда фундаментальных исследований все-таки смогли сделать достаточно точный снимок атома водорода. Для этого им пришлось воспользоваться методом, предложенным советскими физиками Ю. Н. Демковым, В. Д. Кондратовичем и В. Н. Островским еще в 1981 году (однако самим разработчикам не удалось осуществить его на практике).

Суть этого метода весьма проста — внутри закрытой камеры устанавливаются два лазера, между которыми помещается атом водорода. Лазеры начинают обстреливать этот атом, в результате чего электрон вылетает из него со скоростью и в направленияи, которые зависят от его волновой функции излучения. Если в камере не один, а несколько атомов, то те, соответственно, выпустят несколько электронов, которые будут интерферировать.

Но это еще не все — сильное электрическое поле внутри камеры направляет электроны к заранее предусмотренным точкам на плоском детекторе. Прибыв туда, они распределяются по скоростям, которые получили после соударения, а не в зависимости от своего первоначального местоположения. Однако данное распределение электронов на плоском экране детектора, находящемся на некотором удалении от источника частиц (то есть атомов), все равно совпадает с волновой функцией, которую они имели перед тем, когда лишились контакта с атомным ядром, бросив свои орбиты и отправившись в путешествие по камере.

Таким образом распределение электронов отражается на фосфоресцирующем экране, а значит, их можно сфотографировать. Именно это и сделали физики из Международной научной группы. При этом совершенно очевидно, что для того, чтобы иметь точный "портрет" атома водорода, таких электронов надо накопить довольно много. Сами понимаете, что реально про электрон нельзя сказать, что есть точка, в которой он наверняка находится — на самом деле он с некоторой вероятностью существует в области пространства, ограниченной некоей поверхностью.

Ну, а раз так, то плотность вероятности его появления на ограниченной поверхности может, по сути, выбираться произвольно. Тем не менее, для простоты подсчетов и обработки результатов эксперимента обычно принимают как некое значение в диапазоне от 0,9 до 0,99. Получается, что, хотя электрон в атоме водорода всего один, он не имеет какого-то определенного положения сам по себе. Так что для того, чтобы снимок получился более точным, а также для гарантированного понимания реальной ситуации внутри атома водорода, ученым пришлось повторить эксперимент примерно 20 000 раз. Именно эти данные и составили полную картину перемещения неуловимого электрона внутри атома вокруг ядра, состоящего всего лишь из одного протона.

Читайте также: Физики создали из атома Вселенную

Интересно, что несмотря на то, что метод такой "субатомной" фотографии был предложен более тридцати лет тому назад, до сих пор ни один научный коллектив так и не опробовал его на практике — хотя, в отличие от того времени, когда этот способ был разработан, соответствующие условия для проведения экспериментов уже появились. До недавнего времени он использовался всего лишь для получения более точных "снимков" молекул. Теперь ученые доказали, что с помощью данной методики можно сфотографировать и более меньшую единицу материи.

Впрочем, сфотографировать атом водорода, по мнению исследователей, не так уж и сложно — ведь в нем только один электрон. А вот получить фотографию гелия будет труднее — нужно накапливать данные о движении уже двух электронов. А это значит, что придется ставить эксперимент не менее 40 тысяч раз!

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"