Фотографии атомов и молекул. Ученые впервые увидели атом "вживую" - фото. От неживого - к живому

ПостНаука развенчивает научные мифы и объясняет общепринятые заблуждения. Мы попросили наших экспертов прокомментировать популярные представления о строении и свойствах атомов.

Модель Резерфорда соответствует современным представлениям о строении атома

Это правда, но отчасти. Планетарная модель атома, заключающаяся в том, что легкие электроны вращаются вокруг тяжелого ядра, подобно планетам вокруг Солнца, была предложена Эрнестом Резерфордом в 1911 году, после того как в его лаборатории было открыто само ядро. Бомбардируя листок металлической фольги альфа-частицами, ученые обнаружили, что подавляющее большинство частиц проходит через фольгу насквозь, подобно свету сквозь стекло. Однако незначительная их часть - примерно одна из 8000 - отражалась обратно к источнику. Резерфорд объяснил эти результаты тем, что масса распределена в веществе не равномерно, а сконцентрирована в «сгустки» - атомные ядра, которые несут положительный заряд, отталкивающий положительно заряженные альфа-частицы. Легкие отрицательно заряженные электроны избегают «падения» на ядро, вращаясь вокруг них, так что центробежная сила уравновешивает электростатическое притяжение.

Говорят, что, изобретя эту модель, Резерфорд воскликнул: «Теперь я знаю, как выглядит атом!» Однако вскоре, вслед за воодушевлением, Резерфорд осознал и ущербность своей идеи. Вращаясь вокруг ядра, электрон создает вокруг себя переменные электрическое и магнитное поля. Эти поля распространяются со скоростью света в виде электромагнитной волны. А такая волна несет с собой энергию! Получается, что, вращаясь вокруг ядра, электрон будет непрерывно терять энергию и в течение миллиардных долей секунды упадет на ядро. (Может возникнуть вопрос, нельзя ли применить тот же самый аргумент к планетам Солнечной системы: почему же они на Солнце не падают? Ответ: гравитационные волны, если они вообще существуют, гораздо слабее электромагнитных, а энергия, запасенная в планетах, намного больше, чем в электронах, поэтому «запас хода» у планет на много порядков дольше.)

Разрешить противоречие Резерфорд поручил своему сотруднику, молодому теоретику Нильсу Бору. Поработав два года, Бор нашел частичное решение. Он постулировал, что среди всевозможных орбит электрона существуют такие, на которых электрон может находиться в течение долгого времени не излучая. Электрон может переходить с одной стационарной орбиты на другую, при этом поглощая или излучая квант электромагнитного поля с энергией, равной разности энергий двух орбит. Пользуясь начальными принципами квантовой физики, которые уже были открыты к тому времени, Бор сумел вычислить параметры стационарных орбит и, соответственно, энергии квантов излучения, соответствующих переходам. Эти энергии к тому моменту были измерены с помощью методов спектроскопии, и теоретические предсказания Бора почти идеально совпали с результатами этих измерений!

Несмотря на этот триумфальный результат, теория Бора едва ли вносила ясность в вопрос физики атома, ведь она была полуэмпирической: постулируя наличие стационарных орбит, она никак не объясняла их физическую природу. Глубинное разъяснение вопроса потребовало еще не менее двух десятков лет, в течение которых была разработана квантовая механика как систематическая, цельная физическая теория.

В рамках этой теории электрон подчиняется принципу неопределенности и описывается не материальной точкой, подобно планете, а волновой функцией, «размазанной» по всей орбите. В каждый момент времени он находится в суперпозиции состояний, соответствующих всем точкам орбиты. Поскольку плотность распределения массы по пространству, определяемая волновой функцией, не зависит от времени, переменного электромагнитного поля вокруг электрона не создается; нет и потерь энергии.

Таким образом, планетарная модель дает верное наглядное представление о том, как выглядит атом, - Резерфорд был прав в своем восклицании. Однако она не дает объяснения того, как устроен атом: это устройство много сложнее и глубже, чем-то, что смоделировал Резерфорд.

В заключение отмечу, что «миф» о планетарной модели в самом центре интеллектуальной драмы, породившей перелом в физике сто лет назад и в значительной мере сформировавшей эту науку в ее современном виде.

Александр Львовский

PhD in Physics, профессор физического факультета университета Калгари, руководитель научной группы, член научного совета Российского квантового центра, редактор научного журнала Optics Express

Отдельными атомами можно управлять

Это правда. Конечно, можно, почему нет? Управлять можно разными параметрами атома, а их у атома достаточно много: у него есть положение в пространстве, скорость, а есть и внутренние степени свободы. Внутренние степени свободы определяют магнитные и электрические свойства атома, а также готовность испускать свет или радиоволны. В зависимости от внутреннего состояния атома он может быть более или менее активен в столкновениях и химических реакциях, менять свойства окружающих атомов, от его внутреннего состояния зависит и его отклик на внешние поля. В медицине, например, используют так называемые поляризованные газы для построения томограмм легких - в таких газах все атомы находятся в одном и том же внутреннем состоянии, что позволяет «видеть» по их отклику заполняемый ими объем.

Управлять скоростью атома или его положением не так уж сложно, гораздо сложнее выделить для контроля ровно один атом. Но и это сделать можно. Один из подходов к такому выделению атома реализуется с помощью лазерного охлаждения. Для контроля всегда удобно иметь известное начальное положение, совсем хорошо, если атом при этом еще и не движется. Лазерное охлаждение позволяет достичь и того и другого, локализовать атомы в пространстве и охладить их, то есть свести их скорость практически к нулю. Принцип лазерного охлаждения тот же, что у реактивного самолета, только последний испускает струю газа, чтобы разогнаться, а в первом случае атом, наоборот, поглощает поток фотонов (частиц света) и тормозится. Современные методы лазерного охлаждения позволяют охладить миллионы атомов до скоростей пешехода и ниже. Дальше в игру вступают различного рода пассивные ловушки, например дипольная ловушка. Если для лазерного охлаждения используется световое поле, которое атом активно поглощает, то для его удержания в дипольной ловушке частоту света подбирают вдали от всякого поглощения. Оказывается, что сильно сфокусированный лазерный свет способен поляризовать мелкие частицы и пылинки и втягивать в область наибольшей интенсивности света. Атом не является исключением и также втягивается в область самого сильного поля. Оказывается, что если сфокусировать свет максимально сильно, то в такой ловушке может удержаться только ровно один атом. Дело в том, что если в ловушку попадает второй, то он оказывается настолько сильно прижат к первому, что они образуют молекулу и при этом выпадают из ловушки. Впрочем, такая острая фокусировка является не единственным способом выделения единственного атома, можно использовать и свойства взаимодействия атома с резонатором для заряженных атомов, ионов, можно использовать электрические поля для захвата и удержания ровно одного иона и так далее. Можно и вовсе возбудить один атом в достаточно ограниченном ансамбле атомов в очень высоко возбужденное, так называемое ридберговское состояние. Атом, раз возбудившись в ридберговское состояние, блокирует возможность возбуждения соседей в такое же состояние и, если объем с атомами достаточно мал, будет единственным.

Так или иначе, после того как атом пойман, им можно управлять. Внутреннее состояние можно менять световыми и радиочастотными полями, используя нужные частоты и поляризацию электромагнитной волны. Можно перевести атом в любое наперед заданное состояние, будь то определенное состояние - уровень или их суперпозиция. Вопрос лишь наличия нужных частот и возможности сделать достаточно короткие и мощные управляющие импульсы. В последнее время появилась возможность более эффективно управлять атомами, удерживая их в окрестности наноструктур, что позволяет не только «разговаривать» с атомом более эффективно, но и использовать сам атом - точнее, его внутренние состояния - для управления потоками света, а в будущем, возможно, и для целей вычислений.

Управление позицией атома, удерживаемого ловушкой, совсем уже простая задача - достаточно подвинуть саму ловушку. В случае дипольной ловушки подвинуть пучок света, что можно сделать, например, подвижными зеркалами для лазерного шоу. Скорость атому можно придать опять же реактивным образом - заставить поглотить свет, а ион легко можно разогнать электрическим полями, так же как это делалось в электронно-лучевых трубках. Так что на сегодня принципиально сделать с атомом можно все что угодно, вопрос лишь времени и приложенных усилий.

Алексей Акимов

Атом неделим

Отчасти правда, отчасти нет. Википедия дает нам следующее определение: «Атом (от др.-греч. ἄτομος - неделимый, неразрезаемый) - частица вещества микроскопических размеров и массы, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Атом состоит из атомного ядра и электронов».

Сейчас любой образованный человек представляет атом в модели Резерфорда, коротко представленной последним предложением этого общепринятого определения. Казалось бы, ответ на поставленный вопрос/миф очевиден: атом - составной и сложный объект. Однако ситуация не столь однозначна. Древние философы вкладывали в определение атома скорее смысл существования элементарной и неделимой частицы материи и вряд ли связывали проблему со структурой элементов таблицы Менделеева. В атоме Резерфорда мы такую частицу действительно находим - это электрон.

Электрон в соответствии с современными представлениями, укладывающимися в так называемую

«>Стандартную модель, представляет собой точку, состояние которой описывается положением и скоростью. Важно, что одновременное задание этих кинематических характеристик невозможно вследствие принципа неопределенности Гейзенберга, но, рассматривая только одну из них, например координату, можно определить ее со сколь угодно высокой точностью.

Можно ли тогда, используя современную экспериментальную технику, попытаться локализовать электрон на масштабе, существенно меньшем атомного размера (~0,5 *10-8 см), и проверить его точечность? Оказывается, что при попытке локализовать электрон на масштабе так называемой комптоновской длины волны - примерно в 137 раз меньше размера атома водорода - электрон будет взаимодействовать со своей антиматерией и система станет неустойчивой.

Точечность и неделимость электрона и других элементарных частиц материи является ключевым элементом принципа близкодействия в теории поля и присутствует во всех фундаментальных уравнениях, описывающих природу. Таким образом, древние философы были не так далеки от истины, предполагая, что неделимые частицы материи существуют.

Дмитрий Куприянов

доктор физико-математических наук, профессор физики Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, зав. кафедрой Теоретической физики СПбГПУ

Науке это пока неизвестно. Планетарная модель атома, предложенная Резерфордом, предполагала, что электроны вращаются вокруг атомного ядра, подобно планетам, вращающимся вокруг Солнца. При этом естественно было предположить, что электроны - это твердые шарообразные частицы. Классическая модель Резерфорда была внутренне противоречивой. Со всей очевидностью движущиеся ускоренно заряженные частицы (электроны) должны были бы терять энергию за счет электромагнитного излучения и в конце концов падать на ядра атомов.

Нильс Бор предложил запретить этот процесс и ввести определенные требования к радиусам орбит, по которым движутся электроны. Феноменологическая модель Бора уступила место квантовой модели атома, разработанной Гейзенбергом, и квантовой же, но более наглядной модели атома, предложенной Шрёдингером. В шрёдингеровской модели электроны - это уже не мячики, летающие по орбите, а стоячие волны, которые, как облака, нависают над атомным ядром. Форма этих «облаков» описывалась введенной Шрёдингером волновой функцией.

Сразу же возник вопрос: в чем физический смысл волновой функции? Ответ предложил Макс Борн: квадрат модуля волновой функции - это вероятность найти электрон в данной точке пространства. И вот тут начались сложности. Встал вопрос: а что это значит - найти электрон в данной точке пространства? Не следует ли понимать утверждение Борна как признание, что электрон - это маленький шарик, который летает по некоторой траектории и который можно поймать в определенной точке этой траектории с некоторой вероятностью?

Именно такой точки зрения придерживались Шрёдингер и примкнувший к нему в этом вопросе Альберт Эйнштейн. Им возражали физики Копенгагенской школы - Нильс Бор и Вернер Гейзенберг, которые утверждали, что между актами измерения электрон просто не существует, а значит, говорить о траектории его движения не имеет смысла. Дискуссия Бора и Эйнштейна об интерпретации квантовой механики вошла в историю. Победителем оказался вроде бы Бор: ему удалось, хотя и не очень внятно, опровергнуть все парадоксы, сформулированные Эйнштейном, и даже знаменитый парадокс «кота Шрёдингера», сформулированный Шрёдингером в 1935 году. В течение нескольких десятилетий большинство физиков соглашалось с Бором в том, что материя - это не объективная реальность, данная нам в ощущениях, как учил Карл Маркс, а нечто, возникающее только в момент наблюдения и не существующее без наблюдателя. Интересно, что в советское время кафедры философии в вузах учили, что такая точка зрения - это субъективный идеализм, то есть течение, идущее вразрез с объективным материализмом - философией Маркса, Энгельса, Ленина и Эйнштейна. В то же время на кафедрах физики студентов учили, что концепции Копенгагенской школы являются единственно правильными (возможно, потому, что к этой школе принадлежал самый известный советский физик-теоретик - Лев Ландау).

В настоящий момент мнения физиков разделились. С одной стороны, Копенгагенская интерпретация квантовой механики продолжает пользоваться популярностью. Попытки экспериментальной проверки справедливости этой интерпретации (например, успешная проверка так называемого неравенства Белла французским физиком Аленом Аспе) пользуются почти единодушным одобрением научной общественности. С другой стороны, теоретики совершенно спокойно обсуждают альтернативные теории, например теорию параллельных миров. Возвращаясь к электрону, можно сказать, что его шансы остаться бильярдным шаром пока не очень велики. В то же время они отличны от нуля. В 20-е годы XX века именно бильярдная модель комптоновского рассеяния позволила доказать, что свет состоит из квантов - фотонов. Во многих задачах, имеющих отношение к важным и полезным приборам (диодам, транзисторам), электрон удобно считать бильярдным шариком. Волновая природа электрона важна для описания более тонких эффектов, например отрицательного магнитосопротивления металлов.

Философский вопрос о том, существует ли шарик-электрон между актами измерения, в обычной жизни не имеет большого значения. Однако этот вопрос продолжает оставаться одной из наиболее серьезных проблем современной физики.

Алексей Кавокин

кандидат физико-математических наук, профессор Университета Саутгемптона, руководитель группы квантовой поляритоники Российского квантового центра, научный директор Средиземноморского института фундаментальной физики (Италия)

Атом можно полностью разрушить

Это правда. Ломать не строить. Разрушить можно все что угодно, в том числе и атом, с какой угодно степенью полноты. Атом в первом приближении представляет собой положительно заряженное ядро, окруженное отрицательно заряженными электронами. Первое разрушительное действие, которое можно совершить по отношению к атому, - оторвать от него электроны. Это можно сделать по-разному: можно сфокусировать на нем мощное лазерное излучение, можно облучить быстрыми электронами или другими быстрыми частицами. Атом, потерявший часть своих электронов, называется ионом. Именно в таком состоянии атомы пребывают на Солнце, где температуры настолько высоки, что сохранить свои электроны в столкновениях атомам практически не удается.

Чем больше электронов потерял атом, тем труднее оторвать остальные. В зависимости от атомного номера атом обладает большим или меньшим числом электронов. У атома водорода электрон вообще один, и он частенько теряет его даже в обычных условиях, и именно водород, потерявший свои электроны, определяет pH воды. Атом гелия имеет два электрона, и в полностью ионизованном состоянии носит название альфа-частицы - такие частицы мы уже ожидаем скорее от ядерного реактора, чем от обычной воды. Атомы, содержащие много электронов, требуют еще больше энергии для отрыва всех электронов, но тем не менее оторвать все электроны можно у любого атома.

Если все электроны оторваны, то остается ядро, но и его можно разрушить. Ядро состоит из протонов и нейтронов (обобщенно адронов), и, хотя они довольно сильно связаны, налетающая частица достаточно большой энергии может их разорвать. Тяжелые атомы, в которых нейтронов и протонов слишком много, имеют тенденцию разваливаться сами, выделяя довольно большую энергию - на этом принципе и основаны ядерные электростанции.

Но ведь даже если разбить ядро, оторвать все электроны, остаются исходные частицы: нейтроны, протоны, электроны. Их, конечно же, тоже можно уничтожить. Собственно, этим и занимается , который разгоняет протоны до огромных энергий, полностью разрушая их в столкновениях. При этом рождается множество новых частиц, которые и изучает коллайдер. Так же можно поступить и с электронами, и с любыми другими частицами.

Энергия разрушенной частицы не исчезает, она распределяется между другими частицами, и если их достаточно много, то быстро проследить исходную частицу в море новых превращений становится невозможно. Все можно разрушить, исключений нет.

Алексей Акимов

кандидат физико-математических наук, руководитель группы «Квантовые симуляторы» Российского квантового центра, преподаватель МФТИ, сотрудник ФИАН, исследователь в Harvard University

Физикам из США удалось запечатлеть на фото отдельные атомы с рекордным разрешением, передает Day.Az со ссылкой на Vesti.ru

Ученым из Корнеллского университета в США удалось запечатлеть на фото отдельные атомы с рекордным разрешением - меньше половины ангстрема (0,39 Å). Предыдущие фотографии обладали вдвое низким разрешением - 0,98 Å.

Мощные электронные микроскопы, способные увидеть атомы, существуют уже полвека, однако их разрешающая способность ограничена длинной волны видимого света, которая больше диаметра атома средней величины.

Поэтому ученые используют некий аналог линз, фокусирующих и увеличивающих изображение в электронных микроскопах - им выступает магнитное поле. Однако колебания магнитного поля искажают полученный результат. Чтобы убрать искажения, используют дополнительные устройства, которые корректируют магнитное поле, но вместе с тем увеличивают сложность конструкции электронного микроскопа.

Ранее физики из Корнеллского университета разработали устройство Electron Microscope Pixel Array Detector (EMPAD), заменяющее сложную систему генераторов, фокусирующих входящие электроны одной небольшой матрицей с разрешением 128х128 пикселей, чувствительных к отдельным электронам. Каждый пиксель регистрирует угол отражения электрона; зная его, ученые при помощи техники птайкографии реконструируют характеристики электронов, включая координаты точки, откуда он был выпущен.

Атомы в самом большом разрешении

David A. Muller et al. Nature, 2018.

Летом 2018 года физики решили улучшить качество получаемых снимков до рекордного до сегодняшнего дня разрешения. Ученые закрепили на подвижной балке лист 2D материала - сульфида молибдена MoS2, и выпустили пучки электронов, поворачивая балку под разными углами к источнику электронов. С помощью EMPAD и птайкографии ученые определили расстояния между отдельными атомами молибдена и получили изображение с рекордным разрешением - 0,39 Å.

"Практически мы создали самую маленькую в мире линейку", - объясняет Сол Грюнер (Sol Gruner), один из авторов эксперимента. На полученном снимке удалось разглядеть атомы серы с рекордным разрешением 0,39 Å. Причем удалось даже разглядеть место, где одного такого атома не хватает (указано стрелочкой).

Атомы серы в рекордном разрешении

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.

Как известно, все материальное во Вселенной состоит из атомов. Атом – это мельчайшая единица материи, которая несет в себе ее свойства. В свою очередь, структура атома складывается из волшебного триединства микрочастиц: протонов, нейтронов и электронов.

При этом каждая из микрочастиц универсальна. То есть, не найти на свете двух разных протонов, нейтронов или электронов. Все они абсолютно друг на друга похожи. И свойства атома будут зависеть только от количественного состава этих микрочастиц в общем строении атома.

Например, структура атома водорода состоит из одного протона и одного электрона. Следующий по сложности, атом гелия состоит из двух протонов, двух нейтронов и двух электронов. Атом лития — из трех протонов, четырех нейтронов и трех электронов и т. д.

Структура атомов (слева направо): водорода, гелия, лития

Атомы соединяются в молекулы, а молекулы — в вещества, минералы и организмы. Молекула ДНК, являющаяся основой всего живого – структура, собранная из тех же трех волшебных кирпичиков мироздания, что и камень, лежащий на дороге. Хотя эта структура и намного более сложная.

Еще более удивительные факты открываются тогда, когда мы пытаемся поближе рассмотреть пропорции и строение атомной системы. Известно, что атом состоит из ядра и электронов, двигающихся вокруг него по траектории, описывающей сферу. То есть это даже нельзя назвать движением в обычном понимании этого слова. Электрон скорее находится везде и сразу в пределах этой сферы, создавая вокруг ядра электронное облако и формируя электромагнитное поле.

Схематические изображения строения атома

Ядро атома состоит из протонов и нейтронов, и в нем сосредоточена почти вся масса системы. Но при этом, само ядро настолько мало, что если увеличить его радиус до масштаба в 1 см, то радиус всей структуры атома достигнет сотни метров. Таким образом, все, что мы воспринимаем как плотную материю, более чем на 99% состоит из одних только энергетических связей между физическими частицами и менее чем 1% — из самих физических форм.

Но что представляют собой эти физические формы? Из чего они состоят, и насколько они материальны? Чтобы ответить на эти вопросы, давайте подробнее рассмотрим структуры протонов, нейтронов и электронов. Итак, мы спускаемся еще на одну ступеньку в глубины микромира – на уровень субатомных частиц.

Из чего состоит электрон

Самая маленькая частица атома – электрон. Электрон обладает массой, но при этом не обладает объемом. В научном представлении электрон не из чего не состоит, а представляет собой бесструктурную точку.

Под микроскопом электрон невозможно увидеть. Он наблюдаем только в виде электронного облака, которое выглядит как размытая сфера вокруг атомного ядра. При этом с точностью, где находится электрон в момент времени, невозможно сказать. Приборы же способны запечатлеть не саму частицу, а только лишь ее энергетический след. Суть электрона не вкладывается в представления о материи. Он скорее подобен некой пустой форме, существующей только в движении и за счет движения.

Никакой структуры в электроне до сих пор не было обнаружено. Он является такой же точечной частицей, как и квант энергии. Фактически, электрон — и есть энергия, однако, это более устойчивая ее форма, нежели та, которая представлена фотонами света.

В настоящий момент электрон считают неделимым. Это понятно, ведь невозможно разделить то, что не имеет объема. Однако в теории уже есть наработки, согласно которым в составе электрона лежит триединство таких квазичастиц как:

• Орбитон – содержит информацию об орбитальном положении электрона;
• Спинон – ответственен за спин или вращательный момент;
• Холон – несет информацию о заряде электрона.

Впрочем, как видим, квазичастицы с материей уже не имеют абсолютно ничего общего, и несут в себе одну только информацию.

Фотографии атомов разных веществ в электронный микроскоп

Интересно, что электрон может поглощать кванты энергии, например, света или тепла. В этом случае атом переходит на новый энергетический уровень, а границы электронного облака расширяются. Бывает и такое, что энергия, поглощаемая электроном настолько велика, что он может выскочить из системы атома, и далее продолжить свое движение как независимая частица. При этом он ведет себя подобно фотону света, то есть, он будто бы перестает быть частицей и начинает проявлять свойства волны. Это было доказано в эксперименте.

Эксперимент Юнга

В ходе эксперимента на экран с двумя прорезанными в нем щелями был направлен поток электронов. Проходя через эти прорези, электроны сталкивались с поверхностью еще одного – проекционного – экрана, оставляя на нем свой след. В результате такой «бомбардировки» электронами на проекционном экране появлялась интерференционная картина, подобная той, которая появилась бы, если бы через две прорези проходили бы волны, но не частицы.

Такой рисунок возникает из-за того, что волна, проходя между двух щелей, делится на две волны. В результате дальнейшего движения волны накладываются друг на друга, и на некоторых участках происходит их взаимное гашение. В результате мы получаем много полос на проекционном экране, вместо одной, как это было бы, если бы электрон вел себя как частица.

Структура ядра атома: протоны и нейтроны

Протоны и нейтроны составляют ядро атома. И притом, что в общем объеме ядро занимает менее 1%, именно в этой структуре сосредоточена почти вся масса системы. А вот на счет структуры протонов и нейтронов физики разделились во мнениях, и на данный момент существует сразу две теории.

• Теория №1 — Стандартная

Стандартная модель говорит о том, что протоны и нейтроны состоят из трех кварков, соединенных между собой облаком глюонов. Кварки являются точечными частицами, так же, как кванты и электроны. А глюоны – это виртуальные частицы, обеспечивающие взаимодействие кварков. Однако в природе так и не было найдено ни кварков, ни глюонов, потому эта модель поддается жестокой критике.

• Теория №2 — Альтернативная

А вот по альтернативной теории единого поля, разработанной Эйнштейном, протон, как и нейтрон, как и любой другая частица физического мира, представляет собой вращающееся со скоростью света электромагнитное поле.

Электромагнитные поля человека и планеты

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.