Постулаты Бора
Первая неудачная попытка выстроить качественно квантовую теорию атома предпринял исследователь Нильс Бор, который поставил перед собой задачу комплексно связать в единое целое все существующие эмпирические закономерности линейчатых принципов, ядерную модель строение атома Резерфорда и квантовый спектр излучения и поглощения световых лучей. В основу своей гипотезы физик положил два постулата.
Первый постулат Бора в виде системы стационарных состояний гласит, что в атоме существуют не изменяющиеся со временем состояния, в которых вещество не излучает энергии. Стационарным состояниям элемента соответствуют все элементарные орбиты, по которым непрерывно движутся электроны. Движение этих частиц по орбитам не может сопровождаться поглощением электромагнитных волн. В неизменном состоянии атома электрон, перемещаясь по круговой орбите, определяют квантованные дискретные значения определенного момента импульса, удовлетворяющие условию состояния простейшей частицы. .
Второй постулат Бора, известный под термином «правило частот» предполагает переход электрона с одной стационарной орбиты на другую, в ходе чего излучается только один фотон с энергией. Данная активность будет равняться показателю разности энергии соответствующих состояний и действий неизменных состояний атома до и после поглощения.
Спектр общего поглощения атома водорода считается линейчатым, однако включает в себя только серию Лаймана при определенных внешних условиях. Этот процесс также объясняется гипотезой Бора. Так как все свободные атомы водорода зачастую находятся в стационарном состоянии с наименьшей положительной энергией, то при перемещении к атомам извне конкретной энергии, могут наблюдаться только плавные переходы веществ из основного состояния в возбужденное.
Как увидеть атом?
Атомное ядро состоит из нейтронов и протонов, в составе которых находятся кварки и связывающие их глюоны. Благодаря серии квантовых флуктуаций в ходе эксперимента, фотоны вступили в взаимодействие с глюонами, образовав промежуточную частицу («ро»), немедленный распад которой образовал два так называемых «пиона» – π+ и π-. Полученная информация позволяет с детальной точностью отобразить расположение глюонов в ядре атома.
Перед вами интригующее изображение атома, наиболее приближенное к тому, как они на самом деле выглядят. Снимок сделан с помощью ионного коллайдера RHIC, на котором ученые зарегистрировали траектории множества частиц, возникших в результате столкновения тяжелых ионов
Тем не менее увидеть атом и его ядро собственными глазами невозможно. Новое изображение, опубликованное в начале 2023 года, сделано с большой выдержкой, но даже мощнейшие научные инструменты с трудом способны уловить элементарные частицы, так как они невероятно малы.
Но вот что особенно важно – и новое изображение структуры атомных ядер и предыдущие изображения, полученные в 2009 и 2021 годах, соответствуют теоретическим предсказаниям и фундаментальным принципам квантовой механики. К тому же это первое в истории экспериментальное наблюдение квантовой запутанности (и ее новой формы) между разнородными частицами
Тем не менее субатомный мир остается загадкой для ученых, которые пытаются выяснить как формируется наша реальность. Задача непростая, согласитесь.
Все вокруг, включая нас самих состоит из крошечных, невидимых частиц, постоянно взаимодействующих между собой
Оптика не стареет
Как выяснилось во второй половине XX века, оптическим микроскопам еще есть куда развиваться. Решающим моментом в биологических и медицинских исследованиях стало появление флуоресцентных красителей и методов, позволяющих избирательно помечать определенные вещества. Это не было «всего лишь новой краской», это был настоящий переворот.
Вопреки расхожему заблуждению, флуоресценция — это вовсе не свечение в темноте (последнее называется люминесценцией). Это явление поглощения квантов определенной энергии (скажем, синего света) с последующим излучением других квантов меньшей энергии и, соответственно, иного света (при поглощении синего испускаться будут зеленые). Если поставить светофильтр, который пропускает только излучаемые красителем кванты и задерживает свет, вызывающий флуоресценцию, можно увидеть темный фон с яркими пятнами красителей, а красители, в свою очередь, могут расцвечивать образец чрезвычайно избирательно.
Например, можно покрасить цитоскелет нервной клетки красным, синапсы выделить зеленым, а ядро — голубым. Можно сделать флуоресцентную метку, которая позволит обнаружить белковые рецепторы на мембране или синтезируемые клеткой в определенных условиях молекулы. Метод иммуногистохимического окрашивания совершил революцию в биологической науке. А когда генные инженеры научились делать трансгенных животных с флуоресцентными белками, этот метод пережил второе рождение: реальностью стали, например, мыши с окрашенными в разные цвета нейронами.
Кроме того, инженеры придумали (и отработали на практике) метод так называемой конфокальной микроскопии. Суть его заключается в том, что микроскоп фокусируется на очень тонкий слой, а специальная диафрагма отсекает создаваемую объектами вне этого слоя засветку. Такой микроскоп может последовательно сканировать образец сверху вниз и получать стопку снимков, которая является готовой основой для трехмерной модели.
Использование лазеров и сложных оптических систем управления лучом позволило решить проблему выгорания красителей и высыхания нежных биологических образцов под ярким светом: луч лазера сканирует образец только тогда, когда это необходимо для съемки. А чтобы не тратить время и силы на осмотр большого препарата через окуляр с узким полем зрения, инженеры предложили автоматическую систему сканирования: на предметный столик современного микроскопа можно положить стекло с образцом, и прибор самостоятельно отснимет масштабную панораму всего образца. При этом в нужных местах он будет наводить на резкость, а затем склеит множество кадров воедино.
В некоторые микроскопы можно посадить живых мышей, крыс или хотя бы мелких беспозвоночных животных. Другие дают небольшое увеличение, зато совмещены с рентгеновским аппаратом. Многие для устранения помех от вибраций монтируются на специальных столах массой в несколько тонн внутри помещений с тщательно контролируемым микроклиматом. Стоимость подобных систем превышает стоимость иных электронных микроскопов, а конкурсы на самый красивый кадр давно стали традицией. Кроме того, продолжается и совершенствование оптики: от поиска лучших сортов стекла и подбора оптимальных комбинаций линз инженеры перешли к способам фокусировки света.
Мы специально перечислили ряд технических подробностей для того, чтобы показать: прогресс в области биологических исследований давно связан с прогрессом в других областях. Если бы не существовало компьютеров, способных автоматически сосчитать число окрашенных клеток на нескольких сотнях фотографий, толку от супермикроскопов было бы немного. А без флуоресцентных красителей все миллионы клеток были бы неотличимы друг от друга, так что проследить за формированием новых или гибелью старых было бы практически невозможно.
По сути, первый микроскоп представлял собой струбцину с закрепленной на ней сферической линзой. Аналогом такого микроскопа может быть простая игральная карта с проделанным в ней отверстием и каплей воды. По некоторым данным подобные устройства применяли золотодобытчики на Колыме уже в прошлом столетии.
Atom Фотографии, картинки, изображения и сток-фотография без роялти
Вектор
Похожие изображения
Добавить в Лайкбокс
Вектор
Похожие изображения
Добавить в Лайкбокс
Вектор
Похожие изображения
Добавить в Лайкбокс
Вектор
Похожие изображения
Добавить в Лайкбокс
Вектор
Похожие изображения
Добавить в Лайкбокс
Вектор
Похожие изображения
Добавить в Лайкбокс
#43656376 — Abstract atom background
Похожие изображения
Добавить в Лайкбокс
Вектор
Похожие изображения
Добавить в Лайкбокс
Вектор
Похожие изображения
Добавить в Лайкбокс
#11964096 — orange atom with chrome rings and neutrons,
Похожие изображения
Добавить в Лайкбокс
Вектор
Похожие изображения
Добавить в Лайкбокс
Вектор
Похожие изображения
Добавить в Лайкбокс
Вектор
Похожие изображения
Добавить в Лайкбокс
Вектор
Похожие изображения
Добавить в Лайкбокс
Вектор
Похожие изображения
Добавить в Лайкбокс
Буквы из ксеноновых пикселей
Рассмотреть атомы не всегда было так просто. История атомно-силового микроскопа началась в 1979 году, когда Герд Карл Бинниг и Генрих Рорер, работавшие в Исследовательском центре компании IBM в Цюрихе, приступили к созданию прибора, который позволил бы изучать поверхности с атомным разрешением. Чтобы придумать такое устройство, исследователи решили использовать эффект туннельного перехода — способность электронов преодолевать, казалось бы, непроходимые барьеры. Идея состояла в том, чтобы, измеряя силу туннельного тока, возникающего между сканирующим зондом и изучаемой поверхностью, определять положение атомов в образце.
У Биннига и Рорера получилось, и они вошли в историю как изобретатели сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), а в 1986 году получили Нобелевскую премию по физике. Сканирующий туннельный микроскоп совершил настоящую революцию в физике и химии.
В 1990 году Дон Айглер и Эрхард Швайцер, работавшие в исследовательском центре IBM в Калифорнии, показали, что СТМ можно применять не только для наблюдения за атомами, но для манипулирования ими. С помощью зонда сканирующего туннельного микроскопа они создали, возможно, самый популярный образ, символизирующий переход химиков к работе с отдельными атомами — нарисовали на никелевой поверхности три буквы 35 атомами ксенона (рис. 1).
Бинниг не стал почивать на лаврах — в год получения Нобелевской премии совместно с Кристофером Гербером и Кельвином Куэйтом, также работавшими в Цюрихском исследовательском центре IBM он начал работу над еще одним устройством для изучения микромира, лишенного недостатков, которые присущи СТМ. Дело в том, что с помощью сканирующего туннельного микроскопа нельзя было изучать диэлектрические поверхности, а только проводники и полупроводники, да и для анализа последних между ними и зондом микроскопа нужно было создать значительное разрежение. Поняв, что создать новое устройство проще, чем модернизировать существующее, Бинниг, Гербер и Куэйт изобрели атомно-силовой микроскоп, или АСМ. Принцип его работы кардинально иной: для получения информации о поверхности измеряют не силу тока, возникающую между зондом микроскопа и изучаемым образцом, а значение возникающих между ними сил притяжения, то есть слабых нехимических взаимодействий — сил Ван-дер-Ваальса.
Первая рабочая модель АСМ была устроена сравнительно просто. Исследователи перемещали над поверхностью образца алмазный зонд, связанный с гибким микромеханическим датчиком — кантилевером из золотой фольги (между зондом и атомом возникает притяжение, кантилевер гнется в зависимости от силы притяжения и деформирует пьезоэлектрик). Степень изгиба кантилевера определялась с помощью пьезоэлектрических датчиков — сходным образом канавки и гребни виниловой пластинки превращаются в аудиозапись. Конструкция атомно-силового микроскопа позволяла ему детектировать силы притяжения до 10 –18 ньютон. Через год после создания рабочего прототипа исследователям удалось получить изображение рельефа поверхности графита с разрешением в 2,5 ангстрема.
За три десятка лет, прошедших с тех пор, АСМ использовали для изучения практически любых химических объектов — от поверхности керамического материала до живых клеток и отдельных молекул, причем находящихся как в статическом, так и динамическом состоянии. Атомно-силовая микроскопия стала рабочей лошадкой химиков и материаловедов, а количество работ, в которых применяется этот метод, постоянно растет (рис. 2).
За эти годы исследователи подобрали условия и для контактного, и для бесконтактного изучения объектов с помощью атомно-силовой микроскопии. Контактный метод описан выше, он основан на вандерваальсовом взаимодействии между кантилевером и поверхностью. При работе в бесконтактном режиме пьезовибратор возбуждает колебания зонда на некоторой частоте (чаще всего резонансной). Сила, действующая со стороны поверхности, приводит к тому, что и амплитуда, и фаза колебаний зонда изменяются. Несмотря на некоторые недостатки бесконтактного метода (в первую очередь чувствительность к внешним шумам), именно он исключает воздействие зонда на исследуемый объект, а значит, интереснее для химиков.
Методика работы
После облучения лазерными импульсами, ионизированные электроны покидали свои орбиты и по измеренной траектории попадали в 2D детектор (двойная микроканальная пластина . Детектор расположен перпендикулярно к самому полю). Существует множество траекторий, по которым могут перемещаться электронов до столкновения с детектором. Это обеспечивает исследователей набором интерференционных картин, — моделей которые отражают узловую структуру волновой функции. Исследователи использовали электростатическую линзу, которая увеличивает исходящую волну электронов более чем в 20000 раз.
В самом деле, автор РТЧ в своих «размышлизмах» зашёл так далеко, что впору вызывать тяжёлую контраргументацию, а именно – данные эксперимента японских учёных по фотографированию атома водорода, о котором стало известно 4 ноября 2010 года. На снимке хорошо видна атомная форма, подтверждающая как дискретность, так и округлость атомов: «Группа учёных и специалистов Токийского университета впервые в мире сфотографировала отдельный атом водорода – самый лёгкий и самый маленький из всех атомов, сообщают информагентства.
Снимок был сделан при помощи одной из новейших технологий – специального сканирующего электронного микроскопа. С помощью этого прибора вместе с атомом водорода был сфотографирован и отдельный атом ванадия.Диаметр атома водорода составляет одну десятимиллиардную часть метра. Ранее считалось, что сфотографировать его современным оборудованием практически невозможно. Водород является самым распространённым веществом. Его часть во всей Вселенной приблизительно 90%.
По словам учёных, таким же способом можно запечатлеть и другие элементарные частицы. «Теперь мы можем увидеть все атомы, из которых состоит наш мир, – заявил профессор Юити Икухара. – Это прорыв к новым формам производства, когда в будущем можно будет принимать решения на уровне отдельных атомов и молекул» .
Атом водорода, цвета условныеhttp://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i21/e213001
Группа ученых из Германии, Греции, Нидерландов, США и Франции получила снимки атома водорода. На этих изображениях, полученных при помощи фотоионизационного микроскопа, видно распределение электронной плотности, которое полностью совпадает с результатами теоретических расчетов. Работа международной группы представлена на страницах Physical Review Letters.
Суть фотоионизационного метода заключается в последовательной ионизации атомов водорода, то есть в отрывании от них электрона за счет электромагнитного облучения. Отделившиеся электроны направляются на чувствительную матрицу через положительно заряженное кольцо, причем положение электрона в момент столкновения с матрицей отражает положение электрона в момент ионизации атома. Заряженное кольцо, отклоняющее электроны в сторону, играет роль линзы и с его помощью изображение увеличивается в миллионы раз.
Этот метод, описанный в 2004 году, уже применялся для получения «фотографий» отдельных молекул, однако физики пошли дальше и использовали фотоионизационный микроскоп для исследования атомов водорода. Так как попадание одного электрона дает всего одну точку, исследователи накопили около 20 тысяч отдельных электронов от разных атомов и составили усредненное изображение электронных оболочек.
В соответствии с законами квантовой механики, электрон в атоме не имеет какого-то определенного положения сам по себе. Лишь при взаимодействии атома с внешней средой электрон с той или иной вероятностью проявляется в некоторой окрестности ядра атома: область, в которой вероятность обнаружения электрона максимальна, называется электронной оболочкой. На новых изображениях видны различия между атомами разных энергетических состояний; ученые смогли наглядно продемонстрировать форму предсказанных квантовой механикой электронных оболочек.
При помощи других приборов, сканирующих туннельных микроскопов, отдельные атомы можно не только увидеть, но и переместить в нужное место. Эта техника около месяца назад позволила инженерам компании IBM нарисовать мультфильм, каждый кадр которого сложен из атомов: подобные художественные эксперименты не имеют какого-то практического эффекта, но демонстрируют принципиальную возможность манипуляций с атомами. В прикладных целях используется уже не поатомная сборка, а химические процессы с самоорганизацией наноструктур или самоограничением роста одноатомных слоев на подложке.
Каковы же принципы строения атома?
Все в мире – тонкое и плотное, жидкое, твердое и газообразное – это лишь энергетические состояния бесчисленных полей, пронизывающих пространство Вселенной. Чем выше уровень энергии в поле, тем оно тоньше и менее уловимо. Чем ниже энергетический уровень, тем оно более устойчивое и ощутимое. В структуре атома, как и в структуре любой другой единицы Вселенной, лежит взаимодействие таких полей – разных по энергетической плотности. Выходит, а материя – только иллюзия ума.
Давайте попробуем. Не думаю, что все написанное ниже полностью справедливо, и я вполне мог что-то упустить, но анализ существующих ответов на подобные вопросы и собственные размышления выстроились вот во что:
Возьмем атом водорода: один протон и один электрон на его орбите.
Радиус атома водорода — это как раз радиус орбиты его электрона. В природе он равен 53 пикометрам, то есть 53×10^-12 метра, мы же хотим увеличить его до 30×10^-2 метра — где-то в 5 миллиардов раз.
Диаметр протона (то есть, нашего атомного ядра) — 1.75×10^−15 м. Если увеличить его до желаемых размеров, он окажется размером 1×10^−5 метра, то есть одна сотая миллиметра. Это неразличимо неворуженным взглядом.
Давайте лучше увеличим протон сразу до размеров горошины. Орбита электрона окажется тогда радиусом с футбольное поле.
Протон будет представлять собой область положительного заряда. Он состоит из трех кварков, которые меньше его примерно в тысячу раз — их мы точно не увидим. Существует мнение, что если посыпать этот гипотетический объект магнитной стружкой, она соберется вокруг центра в сферическое облачко.
Электрон увидеть не выйдет. Никакой шарик вокруг атомного ядра летать не будет, «орбита» электрона представляет собой лишь область, в разных точках которой электрон может находиться с разной вероятностью. Можно представить это себе как сферу диаметром со стадион вокруг нашей горошины. В случайных точках внутри этой сферы возникает и моментально пропадает отрицательный электрический заряд. Причем, делает это настолько быстро, что даже в любой отдельно взятый момент времени говорить о его конкретном расположении не имеет смысла… да, это непостижимо. Проще говоря, это никак не «выглядит».
Интересно, кстати, что, увеличив атом до макроскопических размеров, мы надеемся его «увидеть» — то есть, засечь отраженный от него свет. На самом же деле атомы обыкновенных размеров свет не отражают, речь в атомных масштабах идет о взаимодействиях между электронами и фотонами. Электрон может поглотить фотон и перейти на следующий энергетический уровень, он может испустить фотон и так далее. При гипотетическом увеличении этой системы до размеров футбольного поля понадобится слишком много допущений, чтобы предсказать поведение этой невозможной конструкции: будет ли фотон так же воздействовать на гигантский атом? Нужно ли «смотреть» на него, бомбардируя его специальными гигантскими фотонами? Будет ли он излучать гиганские фотоны? Все эти вопросы, строго говоря, не имеют смысла. Думаю, впрочем, можно с уверенностью сказать, что атом не станет отражать свет так, как делал бы это металлический шарик.
На данной фотографии вы смотрите на первое прямое изображение орбит электрона вокруг атома — фактически волновую функцию атома! Для получения фотографии орбитальной структуры атома водорода, исследователи использовали новейший квантовой микроскоп — невероятное устройство, которое позволяет ученым заглянуть в область квантовой физики.
Орбитальная структура пространства в атоме занята электроном. Но при описании этих микроскопических свойств материи, ученые полагаются на волновые функции — математические способы описания квантовых состояний частиц, а именно того, как они ведут себя в пространстве и во времени.
Электронный микроскоп до электронных приборов
Для того чтобы открыть атомы и молекулы, ученым не пришлось их рассматривать — молекулярная теория не нуждалась в том, чтобы видеть объект. А вот микробиология стала возможна только после изобретения микроскопа. Поэтому первое время микроскопы ассоциировались именно с медициной и биологией: физики и химики, изучавшие существенно меньшие объекты, обходились другими средствами. Когда же и им захотелось посмотреть на микромир, дифракционные ограничения стали серьезной проблемой, тем более что описанные выше методы флуоресцентной микроскопии были еще неизвестны. Да и толку от повышения разрешающей способности с 500 до 100 нанометров немного, если объект, который надо рассмотреть, еще меньше!
Зная о том, что электроны могут себя вести и как волна, и как частица, физики из Германии в 1926 году создали электронную линзу. Идея, лежащая в ее основе, была очень простой и понятной любому школьнику: раз электромагнитное поле отклоняет электроны, то с его помощью можно поменять форму пучка этих частиц, растащив их в разные стороны, или, напротив, уменьшить диаметр пучка. Спустя пять лет, в 1931 году Эрнст Руска и Макс Кнолл построили первый в мире электронный микроскоп. В приборе образец сначала просвечивался пучком электронов, а потом электронная линза расширяла прошедший насквозь пучок перед тем, как тот падал на специальный люминесцентный экран. Первый микроскоп давал увеличение всего в 400 раз, но замена света на электроны открыла дорогу к фотографированию с увеличением в сотни тысяч раз: конструкторам пришлось всего лишь преодолеть несколько препятствий технического характера.
Электронный микроскоп позволил рассмотреть устройство клеток в недосягаемом ранее качестве. Но по этому снимку нельзя понять возраст клеток и наличие в них тех или иных белков, а эта информация очень нужна ученым.
Сейчас электронные микроскопы позволяют фотографировать вирусы крупным планом. Существуют разные модификации приборов, позволяющие не только просвечивать тонкие срезы, но и рассматривать их в «отраженном свете» (в отраженных электронах, конечно). Мы не будем подробно рассказывать про все варианты микроскопов, но заметим, что недавно исследователи — они научились восстанавливать изображение по дифракционной картине.
Фотография структуры атома водорода: квантовый микроскоп
Фотография орбитальной структуры атома водорода
На данной фотографии вы смотрите на первое прямое изображение орбит электрона вокруг атома — фактически волновую функцию атома!Для получения фотографии орбитальной структуры атома водорода, исследователи использовали новейший квантовой микроскоп — невероятное устройство, которое позволяет ученым заглянуть в область квантовой физики.
Орбитальная структура пространства в атоме занята электроном. Но при описании этих микроскопических свойств материи, ученые полагаются на волновые функции — математические способы описания квантовых состояний частиц, а именно того, как они ведут себя в пространстве и во времени.
Как правило, в квантовой физике используют формулы типа уравнения Шредингера для описания состояний частиц.
Препятствия на пути исследователей
До сегодняшнего момента, ученые фактически никогда не наблюдали волновую функцию. Попытка уловить точное положение или импульс одинокого электрона было сродни попытке поймать рой мух. Прямые наблюдения искажались весьма неприятным явлением — квантовой когерентностью.
Чтобы измерить все квантовые состояния нужен инструмент, который может проводить множество измерений состояний частицы с течением времени.
Но как увеличить и так микроскопическое состояние квантовой частицы? Ответ нашла группа международных исследователей. С помощью квантового микроскопа — устройства, которое использует фотоионизацию для прямых наблюдений атомных структур.
В своей статье в популярном журнале Physical Review Letters, Aneta Stodolna работающая в институте молекулярной физики (AMOLF) в Нидерландах рассказывает, как она и ее команда получили структуры узловых электронных орбиталей атома водорода помещенных в статическом электрическом поле.
Траектория движения электронов
Методика работы
После облучения лазерными импульсами, ионизированные электроны покидали свои орбиты и по измеренной траектории попадали в 2D детектор (двойная микроканальная пластина . Детектор расположен перпендикулярно к самому полю). Существует множество траекторий, по которым могут перемещаться электронов до столкновения с детектором. Это обеспечивает исследователей набором интерференционных картин, — моделей которые отражают узловую структуру волновой функции.Исследователи использовали электростатическую линзу, которая увеличивает исходящую волну электронов более чем в 20000 раз.
Примеры четырех состояний атома водорода. В среднем столбце приведены экспериментальные измерения, в то время как колонка справа показывает время-зависимое вычисление уравнений Шредингера — и они совпадают
Забегая вперед, скажем что ученые планируют использовать ту же технологию, чтобы посмотреть, как ведут себя атомы в магнитном поле.
comments powered by HyperComments
Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!
Просмотров записи: 5857
Как студент сфотографировал один атом с помощью купленной в магазине камеры
Когда вы совершаете покупку по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать комиссионные.
Присмотритесь, и вы увидите это: бледный фиолетовый пиксель, висящий в черном поле между двумя цилиндрическими иглами. машина с ионной ловушкой в Оксфордском университете.
Это мало. Очень маленький. Размер каждого атома составляет примерно 0,25 нанометра (или миллиардных долей метра); миллиарды атомов удобно поместились бы внутри одной эритроцита.
«Я думаю, что эта фотография особенно интересна людям тем, что вы можете видеть окружающие ее устройства», — сказал Надлингер в интервью Live Science. «И я думаю, что люди также удивлены тем, насколько большим здесь выглядит атом… Я надеюсь, что этой фотографией я не отменяю 100 лет научного образования — атомы на самом деле невероятно малы!»
«Видимый размер, который вы видите на картинке, — это то, что мы называем оптической аберрацией», — сказал Надлингер. «Объектив, через который мы его видим, не идеален — он также немного не в фокусе и слегка переэкспонирован. Это можно сравнить со взглядом на звезды в ночном небе, которые кажутся яркими, но на самом деле намного меньше, чем они кажутся такими только потому, что нашим глазам (или камере) не хватает разрешения, чтобы их обработать».
Итак, увидеть один атом невооруженным глазом невозможно. Однако ловушка в лаборатории немного более выполнима.
Чтобы сделать отдельный атом пригодным для камеры, исследователям сначала нужно превратить его в ион: атом с неравным количеством протонов и электронов, что придает ему положительный или отрицательный суммарный заряд. «Мы можем улавливать только заряженные частицы», — сказал Надлингер. «Итак, мы берем поток нейтральных атомов стронция, которые исходят из печи, и направляем на них лазеры, чтобы избирательно их фотоионизировать.
При помещении в устройство с ионной ловушкой отдельные атомы удерживаются на месте четырьмя электродами в форме лезвий, подобными тем, что видны над и под стронциевым пятнышком на фотографии Надлингера (два дополнительных электрода не видны). Эти электроды создают ток, удерживающий атом на вертикальной оси; два игольчатых цилиндра по обе стороны от атома удерживают его в горизонтальном положении.
Когда токи от этих электродов взаимодействуют, они создают так называемый вращающийся седловой потенциал. «В Интернете можно увидеть видеоролики, где люди буквально берут седло, поворачивают его и кладут на него шарик; из-за вращения шарик фактически остается в центре седла. Вот что делают эти электроды, чтобы удерживать ион». — сказал Надлингер.
Как только атом оказывается запертым, в него попадает множество лазеров, которые рассеивают свет во всех направлениях; на фотографии Надлингера вы можете увидеть следы синего лазера по всему фону.
«На нашем веб-сайте есть изображение девяти ионов, пойманных в цепочку», — сказал Надлингер. «С точки зрения науки это на самом деле интереснее, чем один яркий пиксель, окруженный ионной ловушкой. Но для иллюстрации концепции это может быть более привлекательным».
Надлингер не считает, что он первый исследователь, сделавший такое фото, но, возможно, ему больше всего удалось привлечь внимание публики. «Группа под руководством Ганса Демелта, пионера в области улавливания ионов и лауреата Нобелевской премии , однажды сфотографировала один атом бария в своей лаборатории», — сказал Надлингер
«Это было одиночное яркое пятнышко на темном фоне, не считая некоторого рассеяния лазером. Есть история, что они отправили это изображение на какую-то конференцию — и редактор изображения просто удалил ион, потому что он подумал, что это пылинка
«Группа под руководством Ганса Демелта, пионера в области улавливания ионов и лауреата Нобелевской премии , однажды сфотографировала один атом бария в своей лаборатории», — сказал Надлингер. «Это было одиночное яркое пятнышко на темном фоне, не считая некоторого рассеяния лазером. Есть история, что они отправили это изображение на какую-то конференцию — и редактор изображения просто удалил ион, потому что он подумал, что это пылинка.
Фото атома: как ученым удалось сделать эту уникальную фотографию, история снимка
Метод электронной птихографии
Следующим шагом на пути к наблюдению атомной структуры стало изобретение ученых из Корнельского университета, которым удалось построить мощный детектор и установить мировой рекорд, утроив разрешение современного электронного микроскопа. Работа опубликована в научном журнале Science.
Этот инструмент представляет собой детектор пиксельной матрицы электронного микроскопа (EMPAD) со встроенными алгоритмами 3D-реконструкции, который смог уловить тепловое колебание атомов и получить их новое изображение в трех измерениях. До 2021 года все прошлые попытки представить и изучить отдельные атомы сводились к размытым изображениям.
Перед вами электронная птихографическая реконструкция кристалла ортоскандата празеодима (PrScO3), увеличенная в 100 миллионов раз.
Полученное в результате работы изображение стало возможным благодаря методу под название электронная птихография (ptychography) – сканирующая техника получения изображений объектов, крайне малых размеров, таких как электроны и рентгеновское излучение.
