Фото атом водорода: Физики сделали фото атома водорода |

Содержание

Тотальная визуализация / / Независимая газета

Электронный микроскоп – главный прибор в современной физической лаборатории. Андрей Аржанников – декан физфака Новосибирского государственного университета.
Фото автора

Физики из Токийского университета сфотографировали┘ пустоту. Даже, – если уж совсем переходить на язык метафор, а по-иному, без метафор, здесь не обойтись, – квант пустоты. То есть, конечно, они так не говорят. В информационных сообщениях все выглядит вполне строго научно: «Группа специалистов Токийского университета сумела впервые в истории сфотографировать отдельный атом водорода – самый легкий и самый маленький из всех атомов».

Проще атома водорода вроде бы природа ничего не создала. Ядро, роль которого играет положительно заряженная элементарная частица – протон, а вокруг «размыт» по орбите отрицательно заряженный электрон. Все. Просто дело в том, что атом водорода на 99,99% состоит из «пустоты». Диаметр атома водорода примерно 10^{–8 см}, размеры ядра – 10^–13 см. Существует очень красивая аналогия, чтобы почувствовать – опять метафоры! – что из себя представляет эта конструкция. Представьте себе, что электрон вращается вокруг шпиля Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова с диаметром орбиты вращения 1 км. Тогда размеры ядра атома на шпиле – не более горошины.

До сих пор считалось, что сфотографировать атом водорода нет никакой технической и технологической возможности. Недаром в современных учебных пособиях для студентов можно прочитать, что «┘атомы лежат за пределами нашего восприятия, их нельзя ни увидеть, ни услышать. Атомистические представления не могут возникнуть и из мифа, поскольку миф всегда использует наглядные образы» (Б.В.Булюбаш. История естествознания. От античности до Ньютона. Н.Новгород, 2007). Все так. Но вот японцы все-таки умудрились сфотографировать (визуализировать) эту самую пустоту.

Японцы, конечно, молодцы, «зажигают», что называется! Исследователи во главе с профессором Юити Икухарой сообщили, что ими был использован принципиально новый сканирующий электронный микроскоп, передает ИТАР-ТАСС. «Теперь мы можем увидеть все атомы, из которых состоит наш мир, – заявил профессор Икухара. – Это прорыв к новым формам производства, когда в будущем можно будет принимать решения на уровне отдельных атомов и молекул».

Как будто специально к этому случаю были написаны еще в 1962 году строчки Иосифа Бродского:

Он черен был, как ночь, как

пустота.

Так черен, как внутри себя

игла.

Достижение, фотографирование атома водорода, потрясающее само по себе и с научной, и с технической точки зрения, важно еще и в мировоззренческом плане. Выдающийся физик Лев Ландау высказался однажды в том смысле, что современный теоретик может математически описать явление, которое он ни разу в жизни не видел и представить себе не мог. А вот теперь мы можем сначала увидеть и даже сфотографировать явление, затем представить его, а потом уже объяснить математически.

Фактически японцы устроили праздник на улице древнего грека Демокрита (460–370 до н. э.), одного из создателей атомистического учения. Это вам не какие-то загадочные треки – следы от элементарных частиц в пузырьковой камере или в детекторах Большого адронного коллайдера. Самих-то элементарных частиц никто и никогда не видел! Недаром эллины не различали понятий «видеть» и «знать». Опять же не случайно, что в математике самого известного древнего грека, Пифагора, отсутствовало понятие (и знак) «ноль» – то, чего нет, того нельзя и увидеть, а следовательно, и не существует…

Теперь мы все можем выдохнуть: атом водорода существует! Он даже сфотографирован. Вот он, смотрите! Другой поэт, Андрей Вознесенский, эту вдруг вспыхнувшую в конце XIX – начале XX века тягу человечества к тотальной визуализации мира назвал тоже очень образно – «Видеотизм нашей жизни». После почти шести веков господства левополушарного, аналитического мышления, господства, связанного с возникновением книгопечатания (за чтение и понимание текста отвечает как раз левое полушарие мозга) начался реванш правополушарного мира (правое полушарие мозга связано с обработкой образов).

Водородная фотосессия – апофеоз на сегодняшний день этого глобального процесса. Водорода в нашей Вселенной много – на его долю приходится более 90% всех атомов вообще. Как выглядит атом самого распространенного элемента – теперь знаем, видели (см. фото в анонсе на стр. 9). А это значит, между прочим, что скоро начнется и народное «водородное мифотворчество».

Кстати, по мнению академика Павла Симонова, актуальное состояние мифотворчества имеет психофизиологические аналогии с состоянием гипноза. При этом в ряде исследований было показано, что по мере гипнотизации человека у него нарастает электрическая активность именно правого полушария, которое начинает преобладать над активностью левого.

Так наука, рожденная из мифа, сама порождает миф и начинает искать новые объекты для исследования.

Физики сделали снимок атома водорода // Смотрим

Профиль

28 мая 2013, 14:10

Ася Горина

(фото Aneta Stodolna/FOM Institute AMOLF).
(иллюстрация Белых Владислава/Wikimedia Commons).

(фото Aneta Stodolna/FOM Institute AMOLF).
(иллюстрация Белых Владислава/Wikimedia Commons).

Сделать фотографию субатомных частиц и самих атомов непросто, к таким событиям учёные готовятся очень долго. Впервые в истории науки физикам удалось запечатлеть квантовые взаимодействия электронов в атоме водорода. Снимок поможет продвинуться на несколько шагов вперёд в понимании квантовой механики.

Возможность увидеть своими глазами субатомные частицы крайне важна для современной физики. Ранее учёным уже удавалось сделать фотографии тени атома и электрона. Однако сфотографировать сам атом, а не какую-либо его часть представлялось крайне трудной задачей даже при использовании самых высокотехнологичных устройств.

Дело в том, что согласно законам квантовой механики, невозможно одинаково точно определить все свойства субатомной частицы. Этот раздел теоретической физики построен по принципу неопределённости Гейзенберга, который гласит, что невозможно одинаково точно измерить координаты и импульс частицы — точные измерения одного свойства непременно изменят данные о другом.

Поэтому, вместо того чтобы определять местонахождение (координаты частицы), квантовая теория предлагает измерить так называемую волновую функцию.

Волновая функция работает почти так же, как и звуковая волна. Различие лишь в том, что математическое описание звуковой волны определяет движение молекул в воздухе в определённом месте, а волновая функция описывает вероятность появления частицы в том или ином месте по уравнению Шрёдингера.

Измерить волновую функцию также непросто (прямые наблюдения приводят к её коллапсу), но физики-теоретики могут примерно предсказать её значения.

Экспериментально измерить все параметры волновой функции можно только в том случае, если собрать её из отдельных разрушающих измерений, проведённых на полностью идентичных системах атомов или молекул.

Физики из голландского исследовательского института AMOLF представили новый метод, не требующий никаких «перестроек», и опубликовали результаты своей работы в журнале Physical Review Letters. Их методика построена на гипотезе 1981 года трёх советских физиков-теоретиков, а также на более поздних исследованиях.

В ходе эксперимента команда учёных направила два лазерных луча на атомы водорода, помещённые в специальную камеру. В результате такого воздействия электроны покинули свои орбиты с той скоростью и в том направлении, которые определялись их волновыми функциями. Сильное электрическое поле в камере, где находились атомы водорода, направило электроны на определённые части планарного (плоского) детектора.

Положение электронов, попадающих на детектор, определялось их начальной скоростью, а не позицией в камере. Таким образом, распределение электронов на детекторе рассказало учёным о волновой функции этих частиц, которая была у них, когда они покинули орбиту у ядра атома водорода.

Движения электронов отображались на фосфоресцентном экране в виде тёмных и светлых колец, которые учёные сфотографировали цифровой камерой с высоким разрешением.

«Мы очень довольны нашими результатами. Квантовая механика так мало имеет дело с повседневной жизнью людей, что вряд ли кто-то мог подумать о получении реального фотоснимка квантовых взаимодействий в атоме», — говорит ведущий автор исследования Анета Стодолна (Aneta Stodolna). Также она утверждает, что разработанная методика может иметь и практическое применение, к примеру, для создания проводников толщиной в атом, развития технологии молекулярных проводов, что значительно усовершенствует современные электронные приборы.

«Примечательно, что эксперимент был проведён именно на водороде — одновременно простейшем и самом распространённом веществе в нашей Вселенной. Нужно будет понять, можно ли применить эту методику для более сложных атомов. Если да, то это большой прорыв, который позволит развить не только электронику, но и нанотехнологии», — говорит Джеф Ландин (Jeff Lundeen) из университета Оттавы, который не принимал участия в исследовании.

Впрочем, сами учёные, проводившие эксперимент, не задумываются о практической стороне вопроса. Они считают, что их открытие в первую очередь относится к фундаментальной науке, которая поможет передать больше знаний будущим поколениям физиков.

Также по теме:
Физики впервые сфотографировали тень атома
Учёным удалось сфотографировать электрон
Физики разделили электрон на орбитон и спинон
Учёные впервые различили химические связи внутри молекулы
Физики впервые увидели танцы электронов в молекуле
Учёные подтвердили, что размер протона меньше, чем считалось раньше

новости

Весь эфир

«Квантовый микроскоп» заглянул в атом водорода – Physics World

Что находится внутри атома H? Экспериментальное наблюдение поперечной узловой структуры четырех штарковских состояний атомарного водорода. Изображения в середине показывают экспериментальные измерения. Интерференционные картины четко наблюдаются там, где количество узлов соответствует значению n1. Результаты можно сравнить с расчетами по уравнению Шредингера, зависящими от времени, показанными слева, показывая, что экспериментально наблюдаемые узловые структуры происходят из поперечной узловой структуры начального состояния, которая формируется при лазерном возбуждении. Сравнение экспериментально измеренных (сплошные линии) и расчетных радиальных (штриховые линии) распределений вероятностей показано справа от экспериментальных результатов. (Предоставлено: Стодольная и др. / физ. Преподобный Летт. )

Международная группа исследователей провела первое прямое наблюдение орбитальной структуры возбужденного атома водорода. Наблюдение было сделано с использованием недавно разработанного «квантового микроскопа», который использует фотоионизационную микроскопию для непосредственной визуализации структуры. Демонстрация команды доказывает, что «фотоионизационная микроскопия», впервые предложенная более 30 лет назад, может быть экспериментально реализована и может служить инструментом для изучения тонкостей квантовой механики.

Информационный поток

Волновая функция является центральным принципом квантовой теории. Проще говоря, она содержит максимум доступных сведений о состоянии квантовой системы. Более конкретно, волновая функция является решением уравнения Шредингера. Квадрат волновой функции описывает вероятность того, где именно частица может находиться в данный момент времени. Хотя это занимает видное место в квантовой теории, непосредственное измерение или наблюдение волновой функции — непростая задача, поскольку любое прямое наблюдение разрушает волновую функцию до того, как ее можно будет полностью наблюдать.

В прошлом в экспериментах с волновыми пакетами Ридберга пытались наблюдать волновую функцию с помощью сверхбыстрых лазерных импульсов. В этих экспериментах атомы находятся в суперпозиции своих высоковозбужденных «ридберговских состояний». Эти эксперименты показывают, что периодические электронные орбитали вокруг ядер описываются когерентными суперпозициями квантово-механических стационарных состояний. Волновая функция каждого из этих состояний представляет собой стоячую волну с узловым рисунком («узел» — это место, где вероятность обнаружения электрона равна нулю), которая отражает квантовые числа состояния. В то время как предыдущие эксперименты пытались уловить неуловимую волновую функцию или узловые паттерны, используемые методы не увенчались успехом. Непосредственное наблюдение узловой структуры отдельного атома наиболее труднодостижимо.

Построение волн

В новой работе Анета Стодольна из Института атомной и молекулярной физики FOM в Нидерландах вместе с Марком Враккингом из Института Макса Борна в Берлине, Германия, и другими коллегами из Европы и УЗ показали, что с помощью фотоионизационной микроскопии можно напрямую получить узловую структуру электронной орбитали атома водорода, помещенного в статическое электрическое поле. В эксперименте атом водорода помещен в электрическое поле E и возбуждается лазерными импульсами. Ионизированный электрон вырывается из атома и следует по определенной траектории к детектору — детектору с двойной микроканальной пластиной (МКП), — который перпендикулярен самому полю. Учитывая, что существует много таких траекторий, которые достигают одной и той же точки на детекторе, можно наблюдать интерференционные картины, которые команда увеличивает более чем в 20 000 раз с помощью электростатического зум-объектива. Интерференционная картина напрямую отражает узловую структуру волновой функции. Эксперименты проводились как с резонансной ионизацией с участием ридберговского состояния, так и с нерезонансной ионизацией.

Команда выбрала атом водорода благодаря его уникальным свойствам. «Эти [атомы водорода] очень своеобразны… поскольку водород имеет только один электрон, который взаимодействует с ядром посредством чисто кулоновского взаимодействия, он имеет особую структуру, когда мы помещаем его в постоянное электрическое поле», — говорит Враккинг. Далее он объясняет, что благодаря своему одноэлектронному статусу волновая функция водорода может быть записана как произведение двух волновых функций, которые описывают, как он изменяется в зависимости от двух координат — так называемых параболических координат. То есть гамильтониан атома водорода (во внешнем электрическом поле) описывает расщепление его энергетических уровней, известное как «эффект Штарка». Однако, что более важно, этот «штарковский гамильтониан» точно разделим в терминах двух параболических координат, которые представляют собой линейные комбинации расстояния электрона от ядра водорода r и смещение электрона вдоль оси электрического поля z .

Враккинг сказал физикам мира. эксперимента — от места, где происходит ионизация, до 2D-детектора». Он объясняет, что это имеет решающее значение для масштабирования пространственного распределения, чтобы увеличить узловые узоры до миллиметровых размеров, где их можно наблюдать невооруженным глазом на 2D-детекторе и записывать с помощью системы камер. «То, что вы видите на детекторе, — это то, что существует в атоме», — говорит он. Группа наблюдала за несколькими сотнями тысяч событий ионизации, чтобы получить результаты с одинаковой подготовкой волновой функции для каждого из них.

Что находится внутри

На рисунке вверху этой статьи показан основной результат команды — необработанные данные камеры для четырех измерений, в которых атомы водорода были возбуждены до состояний с нулем, одним, двумя и тремя узлами волновой функции для одна из параболических координат. «Если вы посмотрите на измеренные проекции на детекторе, вы сможете легко распознать узлы и увидеть их радиальную кольцеобразную структуру», — говорит Враккинг.

Глаз атома

Он также указывает на «поразительную разницу» между изображениями, записанными после резонансного возбуждения, и изображениями, записанными после нерезонансного возбуждения – это видно на изображении справа, где дается сравнение между измерениями принято за один резонансный и два нерезонансных узла. Изображения (A) и (C) были получены после нерезонансной ионизации, а для центрального изображения (B) лазер был настроен на резонанс с двумя узлами волновой функции. При резонансной ионизации самое внешнее кольцо вытягивается значительно дальше в радиальном направлении по сравнению с двумя другими изображениями, что можно объяснить особым туннельным эффектом.

Враккинг говорит, что конечной целью исследования было изучение и визуализация атома водорода. В будущих экспериментах можно будет посмотреть, как атом будет реагировать в магнитном поле, изучить динамику электронов с временным разрешением, исследовать голографическую интерференционную микроскопию и, возможно, даже наблюдать за молекулами с помощью фотоионизационной микроскопии.

Гелий под микроскопом

Однако в настоящее время исследователи изучают и анализируют атом гелия с помощью фотоионизационной микроскопии, и статья об этом будет опубликована в ближайшие месяцы. «Поскольку в атоме гелия два электрона, мы получаем очень интересную информацию», — говорит Враккинг. Он говорит, что, хотя в некоторых аспектах реакции атома гелия очень похожи на реакции водорода, есть и некоторые существенные отличия. «Хотя один из электронов гелия очень тесно связан с ядром, а другой очень сильно возбужден, мы можем видеть, что электроны знают о существовании друг друга и что они «разговаривают друг с другом», — объясняет Враккинг. что это может позволить команде «увидеть» запутанность электронов.

Исследование опубликовано в Physical Review Letters .

Фотография | Атом водорода | Научные источники изображений

{{ Элемент.Сообщение об ошибке }}

Этот товар недоступен в вашем регионе.

Товар не найден.

ВЫБЕРИТЕ ВИДЕОЛИЦЕНЗИЮ

{{ item.PlusItemLicenseSmall }}

TIMESLICES

Создать квант времени

Просмотр временных интервалов (поставляется с 1-секундными дескрипторами)

Просмотр интервалов времени

БИРКИ

ПОДЕЛИТЬСЯ ЭТОЙ СТРАНИЦЕЙ

Описание:

Узнать больше

Кредит:

{{ item.ImgCredit }}

Нет в наличии

Уникальный идентификатор:

{{ item.ItemID }}

Устаревший идентификатор:

{{ элемент.ItemSource }}

Нет в наличии

Тип:

{{item. MediaType}}

Лицензия:

{{item.LicenseModel}}

ЦЕНЫ РФ

{{item.aText[i]}}

{{ item.aPrice[i] }}

Скопировать URL

Скачать Комп

Добавить на доску

Удалить с доски

Добавить на доску

Заказать печать

Скачать в высоком разрешении

Загрузка видео в настоящее время недоступна. Пожалуйста, сообщите нам, какие файлы вам нужны, по адресу [email protected], и мы предоставим их вам как можно скорее.

Размер без сжатия:

ЛИЦЕНЗИЯ

ТОВАР НЕ ДОСТУПЕН

Назначение: {{ item.ImgPurpose }}

{{ item.PlusItemLicenseSmall }}

Запрос товара

ПРОСТАЯ ЦЕНА RM

ТОВАР НЕ ДОСТУПЕН
Запрос элемента

Назначение: {{ item.ImgPurpose }}

{{Имя}}

{{ FormatCurrency(item.aStandardPricingPrice[i]) }}

Узнать больше

Скопировать URL

Скачать Комп

Добавить на доску

LabelPB.toLowerCase()» :alt=»‘Remove from ‘ + site.LabelPB.toLowerCase()» aria-label=»‘Remove from ‘ + site.LabelPB.toLowerCase()»/>
Удалить с доски

Добавить на доску

Добавить в корзину

Заказать печать

Скачать в высоком разрешении

ТОВАР В КОРЗИНЕ

{{ item.PlusItemLicenseSmall + ‘ — $’ + item.PlusCodeAmount }}

{{ item.PlusItemLicenseSmall }}

Перейти к оформлению заказа

Скопировать URL

Скачать Комп

Добавить на доску

LabelPB.toLowerCase()» :alt=»‘Remove from ‘ + site.LabelPB.toLowerCase()» aria-label=»‘Remove from ‘ + site.LabelPB.toLowerCase()»/>
Удалить с доски

Добавить на доску

Добавить в корзину

Скачать в высоком разрешении

Загрузка видео в настоящее время недоступна. Пожалуйста, сообщите нам, какие файлы вам нужны, по адресу [email protected], и мы доставим их вам, как только
возможный.

ТОВАР В КОРЗИНЕ

{{ item.PlusItemLicenseSmall + ‘ — $’ + item.PlusCodeAmount }}

Перейти к оформлению заказа

Размер без сжатия:

ТОВАР НЕ ДОСТУПЕН

Запрос товара

Назначение: {{ item.ImgPurpose }}

Узнать больше

Скопировать URL

Скачать Комп

LabelPB.toLowerCase()» :alt=»‘Add to ‘ + site.LabelPB.toLowerCase()» aria-label=»‘Add to ‘ + site.LabelPB.toLowerCase()»/>
Добавить на доску

Удалить с доски

Добавить на доску

Добавить в корзину

Заказать печать

Скачать в высоком разрешении

ТОВАР НЕ ДОСТУПЕН
Запрос товара

Назначение: {{ item.ImgPurpose }}

Скопировать URL

Скачать Комп

LabelPB.toLowerCase()»/>
Добавить на доску

Удалить с доски

Добавить на доску

Скачать в высоком разрешении

Время начала:

{{ SecondsToTime(StartTime) }} Установить

Время окончания:

{{ SecondsToTime(EndTime) }} Установить

Продолжительность: {{ Продолжительность}}

Текущий: {{ Текущий }}

Продолжительность: {{DurationTime}}

Текущее: {{ ТекущееВремя}}

{{ SecondsToTime(Value. StartTime) }} до {{ SecondsToTime(Value.EndTime) }}

Посмотреть

Удалить

Для этого элемента не заданы временные интервалы, поэтому по умолчанию это весь клип.

{{ SecondsToTime(0) }} до {{ SecondsToTime(videocontrols.Duration) }}

Общее время: {{ Math.round(TotalTime * 100) / 100 }}

Цена/сек: {{ FormatCurrency(item.PricePerSec) }}

Цена: {{ ItemPrice }}

{{ сайт.LabelPB }}

{{ сайт.LabelCT }}

{{ сайт.LabelPB }}

{{ сайт.LabelCT }}

{{ Lightbox.Name }} ({{ Lightbox.NumPix }})

Вид
Управлять
Новый

{{ site.LabelCT }}: {{ user.nCartItems }} {{ user.nCartItems == 1 ? «предмет» : «элемент» }}

{{ XXText }}

{{ XXSText }}

{{ XSText }}

{{ SMText }}

{{ MDText }}

{{ LGText }}

90 004} {{ LGText }}

} {{ XXLText }}

{{ HDText }}

{{ QHDText }}

{{ K4Text }}

{{ K8Text }}

Мы используем файлы cookie, чтобы улучшить ваш опыт на нашем веб-сайте.