Данил Макуха
апрель 2017.
286

Способы ли ученые сделать фото атома? Если "да", то как он выглядит "в живую"?

Ответить
Ответить
Комментировать
0
Подписаться
0
2 ответа
Поделиться

Увидеть атом невозможно. Длина волны ("размер") света более чем 1000 раз больше размеров атома. Это как школьной линейкой измерить размер вируса.

Но можно воспользоваться "чудесами" квантовой физики и статистического моделирования (метод Монте-Карло). Тогда можно предположить, что мы обладатели "чудо-фотоаппарата", который позволяет "увидеть в живую все". Нам же нужно будет только устанавливать необходимое время экспозиции кадра. Сказано - сделано. Установим экспозицию в 10⁻⁷ секунд и сделаем фото (компьютерное  моделирование) атома водорода (вопрос "как?" - к  физикам, статистически моделирующим атомные процессы).  На фото (распечатке) мы увидим размытый по краям светлый шар размером около 1 Å или 10⁻¹⁰ м. Это орбиталь электрона - среда обитания электрона в атоме. При таком времени экспозиции шар полностью непроницаем, так как  сформирован миллиардом наложенных изображений электрона в различных положениях на орбитали. Дело в том, что в квази классическом приближении, движение электрона в среднем может быть представлено "вращением" вокруг ядра с частотой 10¹⁵÷10¹⁶ в секунду, что практически засвечивает всю орбиталь на кадре в течении экспозиции 10⁻⁷сек. Уменьшая теперь время экспозиции с 10⁻⁷сек до ~10⁻¹⁶сек, мы увидим что "видимая" яркость шара падает и, при экспозициях ~10⁻¹⁶ секунд, шар исчезнет полностью, при этом на некоторых кадрах то там то сям в области орбитали будет видна светящаяся точка без видимых размеров. Это в кадры случайно попал электрон собственной персоной. Анализируя кадры с электронам(и) мы придем к выводу, что электрон не двигается в классическом смысле. Он появляется в произвольном месте орбитали и тут же (наверно из-за скромности) исчезает, возникнув в другом месте и.т.д. Время исчезновения и появления (Δt) электрона на орбитали можно оценить из принципа неопределенности Га́йзенберга: Δt ≥ (ħ/2)/ΔE ≈ 2.5×10⁻¹⁷ секунд, где ΔE=13.6 эВ это энергетический уровень электрона в основном состоянии атома водорода. Кроме того, при экспозициях 10⁻¹⁶÷10⁻¹⁷ секунд в центре кадра уже четко будет виден протон - ядро атома водорода. Шарообразная его форма с размытыми краями будет около ~50000 раз меньше чем размер орбитали электрона, сфотографированный нами ранее, но при этом протон приблизительно в 2000 раз массивнее электрона.

Чтобы "увидеть" структуру протона чудо-фотоаппаратом, надо уменьшить экспозиционное время до 10⁻²²÷10⁻²⁴ секунд (характерное время ядерных взаимодействий). При таких временах протон будет выглядеть вибрирующим конгломератам из 3-x кварков, но это уже из другой сказки.

5
-1
Прокомментировать

"Фото" в прямом смысле сделать нельзя, поскольку длина волны видимого света слишком велика для рассеяния на неоднородностях размером с отдельный атом. Однако, есть методы электронной микроскопии высокого разрешения, т.е. рассеяния электронов на каких-то объектах вместо видимых фотонов (а длина волны в данном случае сопоставима с размером атома), позволяющие получить изображения атомов в решетке или отдельных атомов на подложке. Я не хочу вставлять сюда произвольную картинку из интернета в смысле авторских прав, но достаточно просто погуглить atomic resolution TEM (transmission electron microscopy) и вывалится куча этих картинок. Некоторые из них в той или иной степени смоделированы, но много и 100% экспериментальных.

2
-1
Прокомментировать
Ответить
Читайте также на Яндекс.Кью
Читайте также на Яндекс.Кью