Fotografii cu atomi și molecule. Prima imagine a structurii orbitale a atomului de hidrogen. Atomii individuali pot fi manipulați

PostScience dezmintă miturile științifice și explică concepțiile greșite comune. Am cerut experților noștri să comenteze ideile populare despre structura și proprietățile atomilor.

Modelul lui Rutherford corespunde ideilor moderne despre structura atomului

Acest lucru este adevărat, dar parțial. Modelul planetar al atomului, în care electronii ușori se învârt în jurul unui nucleu greu, precum planetele în jurul Soarelui, a fost propus de Ernest Rutherford în 1911, după ce nucleul însuși a fost descoperit în laboratorul său. Bombardând o folie de metal cu particule alfa, oamenii de știință au descoperit că marea majoritate a particulelor treceau prin folie ca lumina prin sticlă. Cu toate acestea, o mică parte dintre ele - aproximativ una din 8000 - a fost reflectată înapoi la sursă. Rutherford a explicat aceste rezultate prin faptul că masa nu este distribuită uniform în materie, ci este concentrată în „aglomerări” – nuclee atomice care poartă o sarcină pozitivă care respinge particulele alfa încărcate pozitiv. Electronii ușori, încărcați negativ, evită „căderea” în nucleu, rotindu-se în jurul lor, astfel încât forța centrifugă echilibrează atracția electrostatică.

După ce a inventat acest model, se spune că Rutherford a exclamat: „Acum știu cum arată un atom!” Cu toate acestea, curând, în urma inspirației, Rutherford și-a dat seama de inferioritatea ideii sale. Rotindu-se în jurul nucleului, electronul creează în jurul său variabilele electrice și camp magnetic. Aceste câmpuri se propagă cu viteza luminii în formă unde electromagnetice. Și un astfel de val poartă energie cu el! Se dovedește că, rotindu-se în jurul nucleului, electronul va pierde continuu energie și va cădea pe nucleu în câteva miliarde de secundă. (S-ar putea întreba dacă același argument nu ar putea fi aplicat planetelor sistem solar De ce nu cad pe Soare? Răspuns: undele gravitaționale, dacă există, sunt mult mai slabe decât cele electromagnetice, iar energia stocată în planete este mult mai mare decât în ​​electroni, deci „rezerva de putere” a planetelor este cu multe ordine de mărime mai lungă.)

Rutherford l-a instruit pe colaboratorul său, tânărul teoretician Niels Bohr, să rezolve contradicția. După doi ani de muncă, Bohr a găsit o soluție parțială. El a postulat că printre posibilele orbite ale unui electron, există acelea pe care electronul poate sta mult timp fără a radia. Un electron se poate deplasa de pe o orbită staționară pe alta, în timp ce absoarbe sau emite o cantitate de câmp electromagnetic cu o energie diferenta egala energiile a două orbite. Folosind principiile inițiale ale fizicii cuantice, care fuseseră deja descoperite până în acel moment, Bohr a putut să calculeze parametrii orbitelor staționare și, în consecință, energiile cuantelor de radiație corespunzătoare tranzițiilor. Până atunci, aceste energii fuseseră măsurate folosind metode de spectroscopie, iar predicțiile teoretice ale lui Bohr se potriveau aproape perfect cu rezultatele acestor măsurători!

În ciuda acestui rezultat triumfător, teoria lui Bohr a adus cu greu claritate în chestiunea fizicii atomului, deoarece era semiempiric: postulând existența orbitelor staționare, nu le explica în niciun fel. natura fizica. O explicație profundă a problemei a necesitat cel puțin încă două decenii, timp în care mecanica cuantică a fost dezvoltată ca o teorie fizică sistematică, integrală.

În cadrul acestei teorii, electronul este supus principiului incertitudinii și nu este descris punct material, ca o planetă, dar o funcție de undă, „undă” pe întreaga orbită. În fiecare moment de timp, se află într-o suprapunere de stări corespunzătoare tuturor punctelor orbitei. Deoarece densitatea de distribuție a masei în spațiu, determinată de funcția de undă, nu depinde de timp, în jurul electronului nu se creează un câmp electromagnetic alternativ; nu există pierderi de energie.

Astfel, modelul planetar oferă o reprezentare vizuală corectă a cum arată un atom - Rutherford avea dreptate în exclamația sa. Cu toate acestea, nu oferă o explicație a modului în care funcționează atomul: acest dispozitiv este mult mai complex și mai profund, lucru pe care l-a modelat Rutherford.

În concluzie, observ că „mitul” despre modelul planetar se află în centrul dramei intelectuale care a dat naștere unui punct de cotitură în fizică cu o sută de ani în urmă și a modelat în mare măsură această știință în ea. formă modernă.

Alexandru Lvovsky

doctor în fizică, profesor la Facultatea de Fizică a Universității din Calgary, șef al grupului științific, membru al Consiliului științific al Centrului cuantic din Rusia, editor al revistei științifice Optic Express

Atomii individuali pot fi manipulați

E adevarat. Desigur că poți, de ce nu? Puteți controla diferiți parametri ai atomului, iar atomul are mulți dintre ei: are o poziție în spațiu, viteză și există și grade interne de libertate. Gradele interne de libertate determină proprietățile magnetice și electrice ale unui atom, precum și disponibilitatea acestuia de a emite lumină sau unde radio. În funcție de starea internă a atomului, acesta poate fi mai mult sau mai puțin activ în ciocniri și reacții chimice, schimbă proprietățile atomilor din jur, răspunsul acestuia la câmpurile externe depinde și de starea sa internă. În medicină, de exemplu, așa-numitele gaze polarizate sunt folosite pentru a construi tomograme ale plămânilor - în astfel de gaze, toți atomii sunt în aceeași stare internă, ceea ce face posibilă „vederea” volumului pe care îl umplu prin răspunsul lor.

Nu este atât de dificil să controlezi viteza unui atom sau poziția acestuia, este mult mai dificil să selectezi exact un atom pentru control. Dar se poate face și acest lucru. Una dintre abordările pentru o astfel de izolare a unui atom este implementată cu ajutorul răcirii cu laser. Pentru control, este întotdeauna convenabil să aveți o poziție inițială cunoscută, este destul de bine dacă atomul nu se mișcă în același timp. Răcirea cu laser face posibilă realizarea ambelor, localizarea atomilor în spațiu și răcirea lor, adică reducerea vitezei lor la aproape zero. Principiul răcirii cu laser este același cu cel al unui avion cu reacție, doar acesta din urmă emite un jet de gaz pentru a accelera, iar în primul caz, atomul, dimpotrivă, absoarbe un flux de fotoni (particule de lumină) și încetinește jos. Metode moderne răcirea cu laser poate răci milioane de atomi la viteze de mers și mai jos. În plus, intră în joc diverse tipuri de capcane pasive, de exemplu, o capcană dipol. Dacă se folosește un câmp luminos pentru răcirea cu laser, pe care atomul îl absoarbe în mod activ, atunci pentru a-l menține în capcana dipolului, frecvența luminii este selectată departe de orice absorbție. Se pare că lumina laser foarte focalizată este capabilă să polarizeze particulele mici și particulele de praf și să le atragă în regiunea cu cea mai mare intensitate a luminii. Atomul nu face excepție și este, de asemenea, atras în regiunea celui mai puternic câmp. Se pare că, dacă lumina este focalizată cât mai puternic posibil, atunci doar un atom poate rămâne într-o astfel de capcană. Cert este că, dacă al doilea intră în capcană, atunci este atât de puternic apăsat pe primul încât formează o moleculă și, în același timp, cad din capcană. Cu toate acestea, o astfel de focalizare ascuțită nu este singura modalitate de a izola un singur atom, se pot folosi și proprietățile interacțiunii unui atom cu un rezonator pentru atomi încărcați, ioni, se pot folosi câmpuri electrice pentru a captura și reține exact un ion, și așa mai departe. Este posibil să excitați complet un atom dintr-un ansamblu limitat de atomi într-o stare foarte excitată, așa-numita stare Rydberg. Un atom, odată excitat într-o stare Rydberg, blochează posibilitatea de excitare a vecinilor săi în aceeași stare și, dacă volumul cu atomi este suficient de mic, va fi singurul.

Într-un fel sau altul, după ce atomul este prins, acesta poate fi controlat. Starea internă poate fi modificată prin câmpuri de lumină și radiofrecvență, folosind frecvențele dorite și polarizarea undei electromagnetice. Este posibil să transferați un atom în orice stare predeterminată, fie că este o anumită stare - un nivel sau suprapunerea lor. Singura întrebare este disponibilitatea frecvențelor necesare și capacitatea de a produce impulsuri de control suficient de scurte și puternice. Recent, a devenit posibil să se controleze mai eficient atomii prin menținerea acestora în vecinătatea nanostructurilor, ceea ce permite nu numai să „vorbească” cu atomul mai eficient, ci și să folosească atomul însuși - mai precis, stările sale interne - pentru a controlează fluxurile de lumină și, în viitor, poate, și în scopuri de calcul.

Controlul poziției atomului deținut de capcană este o sarcină destul de simplă - este suficient să mutați capcana în sine. În cazul unei capcane dipol, mutați fasciculul de lumină, ceea ce se poate face, de exemplu, cu oglinzi mobile pentru un spectacol cu ​​laser. Viteza poate fi dată din nou unui atom într-un mod reactiv - pentru a-l face să absoarbă lumina, iar un ion poate fi dispersat cu ușurință prin câmpuri electrice, așa cum sa făcut în tuburile catodice. Deci astăzi, în principiu, se poate face orice cu atomul, este doar o chestiune de timp și efort.

Alexei Akimov

Atomul este indivizibil

Parțial adevărat, parțial nu. Wikipedia ne oferă următoarea definiție: „Atomul (din alt grecesc ἄτομος - indivizibil, netăiat) este o particulă de materie de dimensiune și masă microscopică, cea mai mică parte element chimic, care este purtătorul proprietăților sale. Un atom este format dintr-un nucleu atomic și electroni.

Acum, orice persoană educată reprezintă atomul în modelul lui Rutherford, reprezentat succint de ultima propoziție a acestei definiții general acceptate. S-ar părea că răspunsul la întrebare/mit este evident: atomul este un obiect compus și complex. Cu toate acestea, situația nu este atât de clară. Filosofii antici au investit în definiția atomului mai degrabă semnificația existenței unei particule elementare și indivizibile de materie și au conectat cu greu problema cu structura elementelor tabelului periodic. În atomul lui Rutherford, găsim cu adevărat o astfel de particulă - acesta este un electron.

Electron în conformitate cu conceptele moderne care se încadrează în așa-numitul

«> Modelul standard, este un punct, a cărui stare este descrisă de poziție și viteză. Este important ca atribuirea simultană a acestor caracteristici cinematice să fie imposibilă din cauza principiului de incertitudine Heisenberg, dar luând în considerare doar una dintre ele, de exemplu, coordonatele, se poate determina cu o precizie arbitrar de mare.

Este atunci posibil, folosind tehnici experimentale moderne, să încercăm să localizezi un electron pe o scară mult mai mică decât dimensiunea atomică (~0,5 * 10-8 cm) și să verificăm punctiformitatea acestuia? Se dovedește că atunci când se încearcă localizarea unui electron pe scara așa-numitei lungimi de undă Compton - de aproximativ 137 de ori mai mică decât dimensiunea unui atom de hidrogen - electronul va interacționa cu antimateria sa și sistemul va deveni instabil.

Punctitudinea și indivizibilitatea electronului și a altora particule elementare materia este un element cheie al principiului acțiunii cu rază scurtă de acțiune în teoria câmpului și este prezentă în toate ecuațiile fundamentale care descriu natura. Astfel, filozofii antici nu erau atât de departe de adevăr, presupunând că există particule indivizibile de materie.

Dmitri Kupriyanov

Doctor în științe fizice și matematice, profesor de fizică, statul Sankt Petersburg universitate politehnică, cap Departamentul de Fizică Teoretică, Universitatea Pedagogică de Stat din Sankt Petersburg

Știința nu știe încă acest lucru. Modelul planetar al atomului, propus de Rutherford, presupunea că electronii se învârt în jurul nucleului atomic, asemenea planetelor care se rotesc în jurul soarelui. În acest caz, era firesc să presupunem că electronii sunt particule sferice solide. Modelul clasic al lui Rutherford era auto-contradictoriu. Cu toate dovezile, particulele încărcate accelerate în mișcare (electroni) ar trebui să piardă energie din cauza radiației electromagnetice și, în cele din urmă, să cadă pe nucleele atomilor.

Niels Bohr a propus să interzică acest proces și să introducă anumite cerințe pentru razele orbitelor de-a lungul cărora se mișcă electronii. Modelul fenomenologic al lui Bohr a făcut loc modelului cuantic al atomului dezvoltat de Heisenberg și modelului cuantic, dar mai vizual al atomului propus de Schrödinger. În modelul Schrödinger, electronii nu mai sunt bile care zboară pe orbită, ci unde stătătoare care, asemenea norilor, atârnă deasupra nucleului atomic. Forma acestor „nori” a fost descrisă de funcția de undă introdusă de Schrödinger.

A apărut imediat întrebarea: care este semnificația fizică a funcției de undă? Răspunsul a fost sugerat de Max Born: pătratul modulului funcției de undă este probabilitatea de a găsi un electron într-un punct dat din spațiu. Și aici au început dificultățile. A apărut întrebarea: ce înseamnă să găsești un electron într-un punct dat din spațiu? Afirmația lui Born nu ar trebui înțeleasă ca o admitere că un electron este o minge mică care zboară de-a lungul unei anumite traiectorii și care poate fi prinsă la un anumit punct pe această traiectorie cu o oarecare probabilitate?

Acesta a fost punctul de vedere la care Schrödinger și Albert Einstein, care i s-au alăturat în această chestiune, au aderat. Aceștia au fost obiectați de fizicienii Școlii de la Copenhaga - Niels Bohr și Werner Heisenberg, care au susținut că între actele de măsurare electronul pur și simplu nu există, ceea ce înseamnă că nu are sens să vorbim despre traiectoria mișcării sale. Discuția lui Bohr și Einstein despre interpretare mecanica cuantică a intrat în istorie. Bohr părea să fie câștigător: a reușit, deși nu foarte clar, să infirme toate paradoxurile formulate de Einstein, și chiar faimosul paradox „pisica lui Schrödinger” formulat de Schrödinger în 1935. Timp de câteva decenii, majoritatea fizicienilor au fost de acord cu Bohr că materia nu este o realitate obiectivă dată nouă în senzații, așa cum ne-a învățat Karl Marx, ci ceva care apare doar în momentul observației și nu există fără observator. Interesant este că în epoca sovietică, departamentele de filozofie din universități predau că un astfel de punct de vedere este idealismul subiectiv, adică o tendință care vine în contradicție cu materialismul obiectiv - filosofia lui Marx, Engels, Lenin și Einstein. În același timp, la catedrele de fizică, elevii au fost învățați că conceptele școlii de la Copenhaga erau singurele corecte (poate pentru că cel mai cunoscut fizician teoretician sovietic, Lev Landau, aparținea acestei școli).

În prezent, părerile fizicienilor sunt împărțite. Pe de o parte, interpretarea de la Copenhaga a mecanicii cuantice continuă să fie populară. Încercările de a testa experimental validitatea acestei interpretări (de exemplu, testul de succes al așa-numitei inegalități a lui Bell de către fizicianul francez Alain Aspe) se bucură de aprobarea aproape unanimă din partea comunității științifice. Pe de altă parte, teoreticienii discută destul de calm teorii alternative, cum ar fi teoria lumilor paralele. Revenind la electron, putem spune că șansele acestuia de a rămâne o minge de biliard nu sunt încă foarte mari. În același timp, ele sunt diferite de zero. În anii 1920, modelul de biliard al împrăștierii Compton a făcut posibilă demonstrarea faptului că lumina este formată din quanta - fotoni. În multe probleme legate de dispozitive importante și utile (diode, tranzistoare), este convenabil să se considere un electron ca o minge de biliard. Natura ondulatorie a unui electron este importantă pentru descrierea efectelor mai subtile, cum ar fi magnetoresistența negativă a metalelor.

Întrebarea filozofică dacă există o minge-electron între actele de măsurare este de mică importanță în viața obișnuită. Cu toate acestea, această întrebare continuă să fie una dintre cele mai grave probleme ale fizicii moderne.

Alexey Kavokin

doctor în fizică și matematică, profesor la Universitatea din Southampton, șeful Grupului de polaritonică cuantică al Centrului cuantic din Rusia, director științific Institutul Mediteranean de Fizică Fundamentală (Italia)

Un atom poate fi complet distrus

E adevarat. Rupe nu construi. Orice poate fi distrus, inclusiv atomul, cu orice grad de completitudine. Un atom în prima aproximare este un nucleu încărcat pozitiv, înconjurat de electroni încărcați negativ. Prima acțiune distructivă care poate fi efectuată asupra unui atom este îndepărtarea electronilor din acesta. Acest lucru se poate face în diferite moduri: puteți concentra radiația laser puternică asupra acestuia, o puteți iradia cu electroni rapizi sau alte particule rapide. Un atom care și-a pierdut o parte din electroni se numește ion. În această stare se află atomii în Soare, unde temperaturile sunt atât de ridicate încât este practic imposibil ca atomii să-și salveze electronii în ciocniri.

Cu cât un atom a pierdut mai mulți electroni, cu atât este mai greu să scoți restul. Un atom are mai mulți sau mai puțini electroni în funcție de numărul său atomic. Atomul de hidrogen are în general un electron și adesea îl pierde chiar și în condiții normale, iar hidrogenul care și-a pierdut electronii determină pH-ul apei. Atomul de heliu are doi electroni, iar într-o stare complet ionizată se numește particule alfa - astfel de particule ne așteptăm deja la mai mult de la un reactor nuclear decât de la apa obișnuită. Atomii care conțin mulți electroni necesită și mai multă energie pentru a elimina toți electronii, dar, cu toate acestea, este posibil să eliminați toți electronii din orice atom.

Dacă toți electronii sunt rupți, atunci nucleul rămâne, dar poate fi și distrus. Nucleul este format din protoni și neutroni (în general hadroni) și, deși sunt legați destul de puternic, o particulă incidentă de energie suficientă îi poate rupe. Atomii grei, în care sunt prea mulți neutroni și protoni, tind să se destrame singuri, eliberând destul de multă energie - centralele nucleare se bazează pe acest principiu.

Dar la urma urmei, chiar dacă nucleul este rupt, toți electronii sunt rupți, particulele originale rămân: neutroni, protoni, electroni. Desigur, pot fi și distruse. De fapt, asta face, care accelerează protonii la energii uriașe, distrugându-i complet în ciocniri. În acest caz, se nasc multe particule noi, care sunt studiate de ciocnitor. Același lucru se poate face cu electronii și cu orice alte particule.

Energia particulei distruse nu dispare, este distribuită între alte particule și, dacă sunt suficiente, atunci devine imposibil să urmăriți rapid particula originală în marea noilor transformări. Totul poate fi distrus, nu există excepții.

Alexei Akimov

Candidat la științe fizice și matematice, șef al Grupului de simulatoare cuantice al Centrului cuantic din Rusia, lector la Institutul de Fizică și Tehnologie din Moscova, membru al Institutului Lebedev, cercetător la Universitatea Harvard

Un atom (din grecescul „indivizibil”) este odată cea mai mică particulă de materie de dimensiuni microscopice, cea mai mică parte a unui element chimic care își poartă proprietățile. Componentele atomului – protoni, neutroni, electroni – nu mai au aceste proprietăți și le formează împreună. Atomii covalenti formează molecule. Oamenii de știință studiază caracteristicile atomului și, deși sunt deja destul de bine studiate, nu ratează ocazia de a găsi ceva nou - în special, în domeniul creării de noi materiale și noi atomi (continuând tabelul periodic). 99,9% din masa unui atom se află în nucleu.

Nu vă lăsați intimidați de titlu. Gaura neagră, creată accidental de personalul Laboratorului Național Accelerator SLAC, s-a dovedit a avea o dimensiune de doar un atom, așa că nimic nu ne amenință. Da, și titlul gaură neagră” descrie doar de la distanță fenomenul observat de cercetători. V-am spus în repetate rânduri despre cel mai puternic laser cu raze X din lume, numit

Ai văzut vreodată atomi? Suntem unul dintre ei, deci de fapt, da. Dar ai văzut vreodată un singur atom? Recent, o fotografie uimitoare a unui singur atom, capturată câmpuri electrice, a câștigat prestigiosul concurs de fotografie științifică, a primit cel mai înalt premiu. Fotografia a intrat în competiție sub numele destul de logic „Single Atom in Ion Trap” (Un atom într-o capcană de ioni), iar autorul ei este David Nadlinger de la Universitatea Oxford.

British Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) a anunțat câștigătorii concursului său național de fotografie științifică, cu o fotografie a unui singur atom câștigând marele premiu.

În fotografie, atomul este reprezentat ca o mică bucată de lumină între doi electrozi metalici distanțați la aproximativ 2 mm.

Legendă foto:

„Un mic punct luminos este vizibil în centrul fotografiei - un singur atom de stronțiu încărcat pozitiv. Este ținut aproape nemișcat de câmpurile electrice emanate de electrozii metalici care îl înconjoară. Când este iluminat de un laser albastru-violet, atomul rapid absoarbe și reemite particule de lumină, datorită cărora aparat de fotografiat conventional l-ar fi putut fotografia cu o expunere lungă.”

„Fotografia a fost făcută prin fereastra unei camere cu vid ultra-înalt care conține o capcană. Ionii atomici răciți cu laser sunt o bază excelentă pentru studiul și exploatarea proprietăților unice ale fizicii cuantice. Sunt folosiți pentru a crea ceasuri extrem de precise sau, în în acest caz, ca particule pentru construirea computerelor cuantice ale viitorului, care vor putea rezolva problemele care umbră chiar și cele mai puternice supercalculatoare de astăzi.”

Dacă totuși nu ați reușit să luați în considerare atomul, atunci iată-l

„Ideea că poți vedea un singur atom cu ochiul liber m-a lovit până la miez, fiind un fel de punte între micuța lume cuantică și realitatea noastră macroscopică”, a spus David Nadlinger.

După cum știți, tot materialul din Univers este format din atomi. Un atom este cea mai mică unitate de materie care își poartă proprietățile. La rândul său, structura unui atom este alcătuită dintr-o trinitate magică de microparticule: protoni, neutroni și electroni.

În plus, fiecare dintre microparticule este universală. Adică nu poți găsi doi protoni, neutroni sau electroni diferiți în lume. Toate sunt absolut asemănătoare între ele. Și proprietățile atomului vor depinde doar de compoziţia cantitativă aceste microparticule structura generala atom.

De exemplu, structura unui atom de hidrogen este formată dintr-un proton și un electron. Următorul ca complexitate, atomul de heliu este format din doi protoni, doi neutroni și doi electroni. Un atom de litiu este format din trei protoni, patru neutroni și trei electroni etc.

Structura atomilor (de la stânga la dreapta): hidrogen, heliu, litiu

Atomii se combină în molecule, iar moleculele se combină în substanțe, minerale și organisme. Molecula de ADN, care stă la baza oricărei vieți, este o structură asamblată din aceleași trei blocuri magice ale universului ca piatra aflată pe drum. Deși această structură este mult mai complexă.

Și mai multe fapte uimitoare sunt dezvăluite atunci când încercăm să aruncăm o privire mai atentă asupra proporțiilor și structurii sistemului atomic. Se știe că un atom este format dintr-un nucleu și electroni care se mișcă în jurul lui de-a lungul unei traiectorii care descrie o sferă. Adică nici nu poate fi numită mișcare în sensul obișnuit al cuvântului. Electronul este mai degrabă localizat peste tot și imediat în această sferă, creând un nor de electroni în jurul nucleului și formând un câmp electromagnetic.

Reprezentări schematice ale structurii atomului

Nucleul unui atom este format din protoni și neutroni și aproape întreaga masă a sistemului este concentrată în el. Dar, în același timp, nucleul în sine este atât de mic încât dacă îi creșteți raza la o scară de 1 cm, atunci raza întregii structuri a atomului va ajunge la sute de metri. Astfel, tot ceea ce percepem ca materie densă constă în mai mult de 99% din conexiunile energetice dintre particulele fizice singure și mai puțin de 1% din formele fizice în sine.

Dar care sunt aceste forme fizice? Din ce sunt făcute și din ce material sunt? Pentru a răspunde la aceste întrebări, să aruncăm o privire mai atentă asupra structurilor protonilor, neutronilor și electronilor. Deci, coborâm încă o treaptă în adâncurile microcosmosului - la nivelul particulelor subatomice.

Din ce este format un electron?

Cea mai mică particulă a unui atom este un electron. Un electron are masă, dar nu are volum. Din punct de vedere științific, electronul nu constă din nimic, ci este un punct fără structură.

Un electron nu poate fi văzut la microscop. Se observă doar sub forma unui nor de electroni, care arată ca o sferă neclară în jurul nucleului atomic. În același timp, este imposibil să spunem cu exactitate unde se află electronul la un moment dat. Dispozitivele sunt capabile să capteze nu particula în sine, ci doar urma sa de energie. Esența electronului nu este încorporată în conceptul de materie. Este mai degrabă ca o formă goală care există numai în și prin mișcare.

Nu a fost găsită încă nicio structură în electron. Este aceeași particulă punctuală ca și cuantumul energiei. De fapt, un electron este energie, cu toate acestea, aceasta este forma sa mai stabilă decât cea reprezentată de fotonii luminii.

În prezent, electronul este considerat indivizibil. Acest lucru este de înțeles, deoarece este imposibil să împărțiți ceva care nu are volum. Cu toate acestea, există deja evoluții în teorie, conform căreia compoziția unui electron conține o trinitate de cvasiparticule precum:

• Orbiton - conține informații despre poziția orbitală a electronului;
• Spinon - responsabil pentru spin sau cuplu;
• Holon - transportă informații despre sarcina unui electron.

Cu toate acestea, după cum vedem, cvasiparticulele nu au absolut nimic în comun cu materia și poartă doar informații.

Fotografii ale atomilor diferitelor substanțe într-un microscop electronic

Interesant este că un electron poate absorbi cuante de energie, cum ar fi lumina sau căldura. În acest caz, atomul trece la un nou nivel de energie, iar granițele norului de electroni se extind. De asemenea, se întâmplă că energia absorbită de un electron este atât de mare încât poate sări din sistemul atomic și să își continue mișcarea ca o particulă independentă. În același timp, se comportă ca un foton al luminii, adică pare să înceteze să mai fie o particulă și începe să prezinte proprietățile unei unde. Acest lucru a fost dovedit într-un experiment.

Experimentul lui Young

În cursul experimentului, un flux de electroni a fost direcționat pe un ecran cu două fante tăiate în el. Trecând prin aceste fante, electronii s-au ciocnit cu suprafața altui ecran de proiecție, lăsându-și amprenta pe acesta. Ca urmare a acestui „bombardament” de către electroni, pe ecranul de proiecție a apărut un model de interferență, similar cu cel care ar apărea dacă undele, dar nu particulele, ar trece prin două fante.

Un astfel de model apare datorită faptului că valul, care trece între cele două fante, este împărțit în două valuri. Ca rezultat al mișcării ulterioare, undele se suprapun și în unele zone se anulează reciproc. Ca rezultat, obținem multe dungi pe ecranul de proiecție, în loc de una, așa cum ar fi dacă electronul s-ar comporta ca o particulă.

Structura nucleului unui atom: protoni și neutroni

Protonii și neutronii formează nucleul unui atom. Și în ciuda faptului că în volumul total miezul ocupă mai puțin de 1%, în această structură este concentrată aproape întreaga masă a sistemului. Dar în detrimentul structurii protonilor și neutronilor, fizicienii sunt împărțiți în păreri, iar în acest moment există două teorii simultan.

• Teoria #1 - Standard

Modelul standard spune că protonii și neutronii sunt formați din trei quarci conectați printr-un nor de gluoni. Quarcii sunt particule punctiforme, la fel ca cuantele și electronii. Și gluonii sunt particule virtuale care asigură interacțiunea cuarcilor. Cu toate acestea, în natură nu s-au găsit nici quarci, nici gluoni, așa că acest model este supus unor critici severe.

• Teoria #2 - Alternativă

Dar, conform teoriei alternative a câmpului unificat dezvoltat de Einstein, protonul, ca și neutronul, ca orice altă particulă a lumii fizice, este un câmp electromagnetic care se rotește cu viteza luminii.

Câmpurile electromagnetice ale omului și ale planetei

Care sunt principiile structurii atomului?

Totul în lume - subtil și dens, lichid, solid și gazos - este doar stările energetice ale nenumăratelor câmpuri care pătrund în spațiul Universului. Cu cât nivelul de energie în câmp este mai mare, cu atât este mai subțire și mai puțin perceptibil. Cu cât nivelul de energie este mai scăzut, cu atât este mai stabil și mai tangibil. În structura atomului, precum și în structura oricărei alte unități a Universului, se află interacțiunea unor astfel de câmpuri - diferite ca densitate energetică. Se dovedește că materia este doar o iluzie a minții.

1. Dar vom începe dintr-o cu totul altă latură. Înainte de a porni într-o călătorie în adâncurile materiei, să ne întoarcem privirea în sus.

De exemplu, se știe că distanța medie până la Lună este de aproape 400 de mii de kilometri, până la Soare - 150 de milioane, până la Pluto (care nu mai este vizibil fără telescop) - 6 miliarde, până la cea mai apropiată stea Proxima Centauri - 40 trilioane, până la cea mai apropiată galaxie mare a Nebuloasei Andromeda - 25 de chintilioane și, în cele din urmă, la periferia Universului observabil - 130 de sextilioane.

Impresionant, desigur, dar diferența dintre toate aceste „quadri-”, „quinti-” și „sex-” nu pare atât de mare, deși diferă una de alta de o mie de ori. Microcosmosul este cu totul altă chestiune. Cum pot fi ascunse atâtea lucruri interesante în ea, pentru că pur și simplu nu are unde să încapă acolo. Așa ne spune bunul simț gresit.

2. Dacă la un capăt al scării logaritmice amânăm cea mai mică distanță cunoscută din Univers, iar la celălalt capăt - cea mai mare, atunci la mijloc va fi ... un grăunte de nisip. Diametrul său este de 0,1 mm.

3. Dacă puneți 400 de miliarde de boabe de nisip la rând, rândul lor va înconjura întregul glob de-a lungul ecuatorului. Și dacă strângi aceleași 400 de miliarde într-o pungă, va cântări aproximativ o tonă.

4. Grosimea unui păr uman este de 50–70 de microni, adică există 15–20 de microni pe milimetru. Pentru a așeza distanța până la Lună cu ele, va fi nevoie de 8 trilioane de fire de păr (dacă le adăugați nu în lungime, ci în lățime, desigur). Deoarece o persoană are aproximativ 100 de mii de ei pe cap, dacă colectați păr de la întreaga populație a Rusiei, va fi mai mult decât suficient până la lună și chiar mai mult.

5. Dimensiunea bacteriilor este de la 0,5 la 5 microni. Dacă creștem bacteria medie la o astfel de dimensiune încât să se potrivească confortabil în palma noastră (de 100 de mii de ori), grosimea părului va deveni egală cu 5 metri.

6. Apropo, în corpul uman trăiește un întreg cvadrilion de bacterii, iar greutatea lor totală este de 2 kilograme. Există, de fapt, chiar mai multe decât celulele corpului însuși. Deci, este foarte posibil să spunem că o persoană este doar un astfel de organism, constând din bacterii și viruși cu mici incluziuni de altceva.

7. Dimensiunile virușilor diferă chiar mai mult decât bacteriile - de aproape 100 de mii de ori. Dacă acesta ar fi cazul oamenilor, ei ar avea între 1 centimetru și 1 kilometru înălțime, iar interacțiunea lor socială ar fi o priveliște curioasă.

8. Lungimea medie a celor mai comune varietăți de viruși este de 100 nanometri sau 10^(-7) grade de metru. Dacă efectuăm din nou operația de aproximare astfel încât virusul să devină dimensiunea unei palme, atunci lungimea bacteriei va fi de 1 metru, iar grosimea părului va fi de 50 de metri.

9. Lungimea de undă a luminii vizibile este de 400-750 nanometri și este pur și simplu imposibil să vezi obiecte mai mici decât această valoare. Încercând să ilumineze un astfel de obiect, valul pur și simplu îl va înconjura și nu va fi reflectat.

10. Uneori oamenii întreabă cum arată un atom sau ce culoare are. De fapt, atomul nu seamănă cu nimic. Doar deloc. Și nu pentru că nu avem microscoape suficient de bune, ci pentru că dimensiunea unui atom este mai mică decât distanța pentru care există conceptul de „vizibilitate”...

11. În jurul circumferinței globului, 400 de trilioane de viruși pot fi împachetate dens. Mulți. Lumina parcurge această distanță în kilometri în 40 de ani. Dar dacă le puneți pe toate împreună, se pot potrivi cu ușurință pe vârful degetului.

12. Dimensiunea aproximativă a unei molecule de apă este de 3 pe 10^(-10) metri. Într-un pahar cu apă, există 10 septlioane de astfel de molecule - cam la fel de mulți milimetri de la noi până la Galaxia Andromeda. Și într-un centimetru cub de aer există 30 de chintilioane de molecule (în principal azot și oxigen).

13. Diametrul atomului de carbon (baza întregii vieți de pe Pământ) este de 3,5 pe 10 ^ (-10) metri, adică chiar puțin mai mult decât moleculele de apă. Atomul de hidrogen este de 10 ori mai mic - 3 pe 10 ^ (-11) metri. Acest lucru, desigur, nu este suficient. Dar cât de puțin? Faptul uimitor este că cel mai mic grăunte de sare, abia distins, este format din 1 quintilion de atomi.

Să ne întoarcem la scara noastră standard și să mărim atomul de hidrogen, astfel încât să se potrivească confortabil în mână. Virușii vor avea atunci o dimensiune de 300 de metri, bacteriile de 3 kilometri, iar grosimea părului va fi de 150 de kilometri, iar chiar și în stare de minciună va depăși granițele atmosferei (și în lungime poate ajunge pe Lună).

14. Așa-numitul diametru al electronilor „clasic” este de 5,5 femtometre sau 5,5 pe 10^(-15) metri. Dimensiunea protonului și neutronului este și mai mică, aproximativ 1,5 femtometre. Există aproximativ același număr de protoni într-un metru ca și furnici pe planeta Pământ. Folosim mărirea deja familiară nouă. Protonul se află confortabil în palma noastră - și atunci dimensiunea medie a virusului va fi egală cu 7.000 de kilometri (apropo, aproape ca întreaga Rusie de la vest la est), iar grosimea unui fir de păr va fi de 2 ori mai mare decât dimensiunea Soarelui.

15. Este greu de spus ceva clar despre dimensiuni. Ar trebui să fie undeva între 10^(-19) - 10^(-18) metri. Cel mai mic - un cuarc adevărat - are un „diametru” (să scriem acest cuvânt între ghilimele pentru a ne aminti de cele de mai sus) 10 ^ (-22) metri.

16. Există, de asemenea, neutrini. Uită-te la palma ta. În fiecare secundă, un trilion de neutrini emiși de Soare zboară prin el. Și nu poți să-ți ascunzi mâna la spate. Neutrinii vor trece cu ușurință prin corpul tău și prin perete și prin întreaga noastră planetă și chiar printr-un strat de plumb gros de un an lumină. „Diametrul” unui neutrin este de 10 ^ (-24) metri - această particulă este de 100 de ori mai mică decât un cuarc adevărat sau de un miliard de ori mai mică decât un proton sau de 10 septilioane de ori mai mică decât un tiranozaur rex. De aproape tot atâtea ori tiranozaurul în sine este mai mic decât întregul univers observabil. Dacă creșteți neutrinul astfel încât să aibă dimensiunea unei portocale, atunci chiar și un proton va fi de 10 ori dimensiunea Pământului.

17. Și acum sper din tot sufletul că unul dintre următoarele două lucruri ar trebui să te lovească. În primul rând, putem merge și mai departe (și chiar să facem niște presupuneri semnificative despre ceea ce va fi acolo). Al doilea - dar, în același timp, este încă imposibil să pătrundem în adâncime în materie la infinit și, în curând, vom ajunge într-o fundătură. Asta doar pentru a atinge aceste dimensiuni foarte „de capăt”, va trebui să coborâm încă 11 ordine de mărime, dacă numărăm de la neutrini. Adică, aceste dimensiuni sunt de 100 de miliarde de ori mai mici decât neutrinii. Cu aceeași cantitate, un grăunte de nisip este mai mic decât întreaga noastră planetă, de altfel.

18. Deci, pe dimensiunile de 10 ^ (-35) metri, așteptăm un concept atât de minunat precum lungimea Planck - distanța minimă posibilă în lumea reală (în măsura în care se crede în mod obișnuit în știința modernă).

19. Șirurile cuantice trăiesc și aici - obiectele sunt foarte remarcabile din orice punct de vedere (de exemplu, sunt unidimensionale - nu au grosime), dar pentru subiectul nostru este important ca lungimea lor să fie, de asemenea, în 10^(-35) metri. Să facem pentru ultima dată experimentul nostru standard de „mărire”. Coarda cuantică devine o dimensiune convenabilă și o ținem în mână ca un creion. În acest caz, neutrino va fi de 7 ori mai mare decât Soarele, iar atomul de hidrogen va fi de 300 de ori mai mare decât Calea Lactee.

20. În cele din urmă, ajungem la însăși structura universului - scara la care spațiul devine ca timpul, timpul devine spațiu și se întâmplă diverse alte lucruri bizare. Nu mai este nimic (probabil)...

Nu există „veriga lipsă” în evoluția umană

Termenul „veriga lipsă” a ieșit din circulație în cercurile științifice, deoarece este asociat cu presupunerea eronată că procesul evolutiv este liniar și merge secvenţial, „de-a lungul lanţului”. În schimb, biologii folosesc termenul „ultimul strămoș comun”.

Fapte interesante despre sistemul solar