Trurl a început să prindă atomi, să zgârie electroni din ei, să frământe protoni astfel încât doar degetele lui să fulgeră, a pregătit un aluat de protoni, a așezat electroni în jurul lui și - pentru următorul atom; Nu trecuseră nici cinci minute înainte ca el să țină în mâini un bloc de aur pur: el și-l întinse pe față, dar ea, după ce a gustat blocul de pe dintele ei și dând din cap, a spus:
- Și într-adevăr aur, dar nu pot urmări atomi așa. Sunt prea mare.
- Nimic, vă dăm un aparat special! Trurl l-a convins.
Stanislav Lem, Cyberiad
Este posibil să vezi un atom cu un microscop, să-l distingem de un alt atom, să urmărești distrugerea sau formarea unei legături chimice și să vezi cum o moleculă se transformă în alta? Da, dacă nu este un simplu microscop, ci unul de forță atomică. Și puteți și nu vă limitați la observație. Trăim într-o perioadă în care microscopul cu forță atomică a încetat să mai fie doar o fereastră către microlume. Astăzi, acest instrument poate fi folosit pentru a muta atomii, pentru a rupe legăturile chimice, pentru a studia rezistența la tracțiune a moleculelor individuale - și chiar pentru a studia genomul uman.
Litere din pixeli xenon
Luarea în considerare a atomilor nu a fost întotdeauna atât de ușoară. Istoria microscopului cu forță atomică a început în 1979, când Gerd Karl Binnig și Heinrich Rohrer, care lucrează la Centrul de Cercetare IBM din Zurich, au început să creeze un instrument care să permită studierea suprafețelor cu rezoluție atomică. Pentru a veni cu un astfel de dispozitiv, cercetătorii au decis să folosească efectul de tranziție a tunelului - capacitatea electronilor de a depăși barierele aparent impenetrabile. Ideea a fost de a determina poziția atomilor din probă prin măsurarea puterii curentului de tunel care apare între sonda de scanare și suprafața studiată.
Binnig și Rohrer au reușit și au intrat în istorie ca inventatorii microscopului cu scanare tunel (STM), iar în 1986 au primit Premiul Nobel pentru Fizică. Microscopul de scanare cu tunel a făcut o adevărată revoluție în fizică și chimie.
În 1990, Don Eigler și Erhard Schweitzer, care lucrează la Centrul de Cercetare IBM din California, au arătat că STM poate fi folosit nu numai pentru a observa atomii, ci și pentru a-i manipula. Folosind sonda unui microscop cu tunel de scanare, ei au creat poate cea mai populară imagine, simbolizând tranziția chimiștilor la lucrul cu atomi individuali - au pictat trei litere pe o suprafață de nichel cu 35 de atomi de xenon (Fig. 1).
Binnig nu s-a odihnit pe lauri - în anul primirii Premiului Nobel, împreună cu Christopher Gerber și Calvin Quayt, care au lucrat și la Centrul de Cercetare IBM Zurich, a început să lucreze la un alt dispozitiv pentru studierea microlumii, lipsit de neajunsuri. care sunt inerente STM. Cert este că cu ajutorul unui microscop cu scanare tunel a fost imposibil să se studieze suprafețele dielectrice, ci doar conductorii și semiconductorii, iar pentru ai analiza pe aceștia din urmă a trebuit să se creeze o rarefacție semnificativă între acestea și sonda microscopului. Dându-și seama că este mai ușor să creezi un nou dispozitiv decât să actualizezi unul existent, Binnig, Gerber și Quait au inventat microscopul cu forță atomică sau AFM. Principiul funcționării sale este radical diferit: pentru a obține informații despre suprafață, nu se măsoară puterea curentă care apare între sonda microscopului și proba studiată, ci valoarea forțelor de atracție care apar între ele, adică interacțiuni nechimice slabe - forțele van der Waals.
Primul model de lucru al AFM a fost relativ simplu. Cercetătorii au mutat o sondă diamantată pe suprafața probei, conectată la un senzor micromecanic flexibil – o consolă din folie de aur (atracția are loc între sondă și atom, cantileverul se îndoaie în funcție de forța de atracție și deformează piezoelectricul). Gradul de îndoire a consolei a fost determinat cu ajutorul senzorilor piezoelectrici - într-un mod similar, canelurile și crestele unui disc de vinil sunt transformate într-o înregistrare audio. Designul microscopului cu forță atomică i-a permis să detecteze forțe atractive de până la 10-18 newtoni. La un an de la crearea unui prototip de lucru, cercetătorii au reușit să obțină o imagine a topografiei suprafeței de grafit cu o rezoluție de 2,5 angstromi.
În cele trei decenii care au trecut de atunci, AFM a fost folosit pentru a studia aproape orice obiect chimic - de la suprafața unui material ceramic până la celule vii și molecule individuale, atât în stare statică, cât și dinamică. Microscopia cu forță atomică a devenit calul de lucru al chimiștilor și al oamenilor de știință din materiale, iar numărul lucrărilor în care este utilizată această metodă este în continuă creștere (Fig. 2).
De-a lungul anilor, cercetătorii au ales condiții atât pentru studiul de contact cât și fără contact al obiectelor folosind microscopia cu forță atomică. Metoda de contact descrisă mai sus se bazează pe interacțiunea van der Waals dintre consolă și suprafață. Când funcționează într-un mod fără contact, piezovibratorul excită oscilațiile sondei la o anumită frecvență (cel mai adesea rezonantă). Forța care acționează de la suprafață duce la faptul că atât amplitudinea, cât și faza oscilațiilor sondei se modifică. În ciuda unor deficiențe ale metodei fără contact (în primul rând, sensibilitatea la zgomotul extern), tocmai această metodă exclude efectul sondei asupra obiectului studiat și, prin urmare, este mai interesantă pentru chimiști.
În viață pe sonde, urmărind conexiuni
Microscopia cu forță atomică a devenit fără contact în 1998 datorită muncii studentului lui Binnig, Franz Josef Gissible. El a sugerat folosirea unui oscilator de referință de cuarț cu o frecvență stabilă ca cantilever. După 11 ani, cercetătorii de la laboratorul IBM din Zurich au întreprins o altă modificare a AFM fără contact: rolul sondei-senzor a fost îndeplinit nu de un cristal de diamant ascuțit, ci de o moleculă - monoxid de carbon. Acest lucru a făcut posibilă trecerea la rezoluția subatomică, așa cum a demonstrat Leo Gross de la divizia din Zurich a IBM. În 2009, cu ajutorul AFM, a făcut vizibili nu atomi, ci legături chimice, obținând o „imagine” destul de clară și fără ambiguitate pentru molecula de pentacen (Fig. 3; Ştiinţă, 2009, 325, 5944, 1110–1114, doi: 10.1126/science.1176210).
Convins că o legătură chimică poate fi văzută cu AFM, Leo Gross a decis să meargă mai departe și să folosească microscopul cu forță atomică pentru a măsura lungimile și ordinele legăturilor - parametri cheie pentru înțelegerea structurii chimice și, prin urmare, proprietățile substanțelor.
Amintiți-vă că diferența dintre ordinele de obligațiuni indică sensuri diferite densitatea electronică și diferite distanțe interatomice dintre doi atomi (în termeni simpli, o legătură dublă este mai scurtă decât o legătură simplă). În etan, ordinul legăturii carbon-carbon este unul, în etilenă este doi, iar în molecula aromatică clasică, benzen, ordinea legăturii carbon-carbon este mai mare decât unu, dar mai mic de doi și este considerat a fi 1,5.
Determinarea ordinii de legare este mult mai dificilă atunci când se trece de la sisteme aromatice simple la sisteme de inele policondensate plane sau voluminoase. Astfel, ordinea legăturilor în fulerene constând din cicluri condensate de carbon cu cinci și șase membri poate lua orice valoare de la unu la doi. Aceeași incertitudine se aplică teoretic și compușilor aromatici policiclici.
În 2012, Leo Gross, împreună cu Fabian Mohn, a arătat că un microscop de forță atomică cu o sondă metalică fără contact modificată cu monoxid de carbon poate măsura diferențele de distribuție a sarcinilor între atomi și distanțele interatomice - adică parametrii asociați cu ordinea legăturilor. ( Ştiinţă, 2012, 337, 6100, 1326–1329, doi: 10.1126/science.1225621).
Pentru a face acest lucru, ei au studiat două tipuri de legături chimice în fullerene - o legătură carbon-carbon comună pentru două cicluri cu șase membri care conțin carbon de fullerenă C 60 și o legătură carbon-carbon comună pentru ciclurile cu cinci și șase membri. Un microscop cu forță atomică a arătat că condensarea inelelor cu șase membri are ca rezultat o legătură mai scurtă și de ordin mai mare decât condensarea fragmentelor ciclice C6 și C5. Studiul caracteristicilor legăturii chimice în hexabenzocoronen, unde încă șase cicluri C6 sunt situate simetric în jurul ciclului C6 central, a confirmat rezultatele modelării chimice cuantice, conform cărora ordinea legăturilor N-N central inele (în Fig. 4 litera i) trebuie să fie mai mare decât legăturile care unesc acest inel cu ciclurile periferice (în Fig. 4, litera j). Rezultate similare au fost, de asemenea, obținute pentru o hidrocarbură aromatică policiclică mai complexă care conține nouă inele cu șase atomi.
Ordinele legăturilor și distanțele interatomice, desigur, au fost de interes pentru chimiștii organici, dar era mai important pentru cei care erau implicați în teoria legăturilor chimice, predicția reactivității și studiul mecanismelor reacțiilor chimice. Cu toate acestea, atât chimiștii sintetici, cât și specialiștii în studiul structurii compușilor naturali au avut o surpriză: s-a dovedit că microscopul de forță atomică poate fi folosit pentru a stabili structura moleculelor în același mod ca și spectroscopia RMN sau IR. Mai mult, oferă un răspuns clar la întrebările cărora aceste metode nu le pot face față.
De la fotografie la cinema
În 2010, aceiași Leo Gross și Rainer Ebel au reușit să stabilească fără ambiguitate structura unui compus natural - cefalandol A, izolat dintr-o bacterie Dermacoccus abyssi(Chimia naturii, 2010, 2, 821–825, doi: 10.1038/nchem.765). Compoziția cefalandolului A a fost determinată anterior folosind spectrometria de masă, dar analiza spectrelor RMN ale acestui compus nu a dat un răspuns clar la întrebarea structurii sale: au fost posibile patru variante. Folosind un microscop cu forță atomică, cercetătorii au exclus imediat două dintre cele patru structuri, iar din celelalte două alegerea potrivita realizat prin compararea rezultatelor obținute prin AFM și modelarea chimică cuantică. Sarcina s-a dovedit a fi dificilă: spre deosebire de pentacen, fuleren și coronene, cefalandol A conține nu numai atomi de carbon și hidrogen, în plus, această moleculă nu are un plan de simetrie (Fig. 5) - dar și această problemă a fost rezolvată.
O confirmare suplimentară că microscopul cu forță atomică ar putea fi folosit ca instrument analitic a venit de la grupul lui Oskar Kustanz, apoi la Școala de Inginerie a Universității din Osaka. El a arătat cum, folosind AFM, să facă distincția între atomii care diferă unul de celălalt mult mai puțin decât carbonul și hidrogenul ( Natură, 2007, 446, 64–67, doi: 10.1038/nature05530). Kustanz a investigat suprafața unui aliaj format din siliciu, staniu și plumb cu un conținut cunoscut al fiecărui element. Ca urmare a numeroaselor experimente, el a descoperit că forța care apare între vârful sondei AFM și diferiți atomi diferă (Fig. 6). De exemplu, cea mai puternică interacțiune a fost observată la sondarea siliciului, iar cea mai slabă interacțiune a fost observată la sondarea plumbului.
Se presupune că în viitor rezultatele microscopiei cu forță atomică pentru recunoașterea atomilor individuali vor fi procesate în același mod ca rezultatele RMN - prin compararea valorilor relative. Deoarece compoziția exactă a acului senzorului este dificil de controlat, valoarea absolută a forței dintre senzor și diferiți atomi de suprafață depinde de condițiile experimentale și de marca dispozitivului, dar raportul acestor forțe pentru orice compoziție și formă a senzorul rămâne constant pentru fiecare element chimic.
În 2013, au apărut primele exemple de utilizare a AFM pentru a obține imagini ale moleculelor individuale înainte și după reacțiile chimice: se creează un „fotoset” din produsele și intermediarii reacției, care poate fi apoi montat ca un fel de film documentar ( Ştiinţă, 2013, 340, 6139, 1434–1437; doi: 10.1126/science.1238187).
Felix Fisher și Michael Crommie de la Universitatea din California din Berkeley au aplicat argint pe suprafață 1,2-bis[(2-etinilfenil)etinil]benzen, a fotografiat moleculele și a încălzit suprafața pentru a iniția ciclizarea. Jumătate din moleculele originale s-au transformat în structuri aromatice policiclice, constând din cinci inele cu șase membri și două inele cu cinci membri fuzionate. Un alt sfert din molecule au format structuri constând din patru cicluri cu șase membri legate printr-un ciclu cu patru membri și două cicluri cu cinci membri (Fig. 7). Produșii rămași au fost structuri oligomerice și, într-o cantitate nesemnificativă, izomeri policiclici.
Aceste rezultate i-au surprins de două ori pe cercetători. În primul rând, în timpul reacției s-au format doar două produse principale. În al doilea rând, structura lor a provocat surpriză. Fisher observă că intuiția chimică și experiența au făcut posibilă extragerea a zeci de posibili produși de reacție, dar niciunul dintre ei nu corespundea compușilor care s-au format la suprafață. Este posibil ca interacțiunea substanțelor inițiale cu substratul să contribuie la apariția proceselor chimice atipice.
Desigur, după primele succese serioase în studiul legăturilor chimice, unii cercetători au decis să folosească AFM pentru a observa interacțiuni intermoleculare mai slabe și mai puțin studiate, în special legăturile de hidrogen. Cu toate acestea, lucrările în acest domeniu sunt abia la început, iar rezultatele lor sunt contradictorii. Deci, în unele publicații se raportează că microscopia cu forță atomică a făcut posibilă observarea legăturii de hidrogen ( Ştiinţă, 2013, 342, 6158, 611–614, doi: 10.1126/science.1242603), alții susțin că acestea sunt doar artefacte datorită caracteristicilor de design ale dispozitivului și rezultate experimentale trebuie interpretat mai atent Scrisori de revizuire fizică, 2014, 113, 186102, doi:10.1103/PhysRevLett.113.186102). Poate că răspunsul final la întrebarea dacă este posibil să se observe hidrogenul și alte interacțiuni intermoleculare folosind microscopia cu forță atomică va fi obținut deja în acest deceniu. Pentru a face acest lucru, este necesar să creșteți rezoluția AFM de cel puțin mai multe ori și să învățați cum să obțineți imagini fără zgomot ( Analiza fizică B, 2014, 90, 085421, doi:10.1103/PhysRevB.90.085421).
Sinteza unei molecule
În mâini pricepute, atât STM, cât și AFM sunt transformate din instrumente capabile să studieze materia în instrumente capabile să schimbe direcțional structura materiei. Cu ajutorul acestor dispozitive s-a putut deja obținerea „cele mai mici laboratoare chimice”, în care se folosește un substrat în loc de balon, iar moleculele individuale sunt folosite în loc de moli sau milimoli de reactanți.
De exemplu, în 2016, o echipă internațională de oameni de știință condusă de Takashi Kumagai a folosit microscopia cu forță atomică fără contact pentru a transfera molecula de porficen dintr-o formă în alta ( Chimia naturii, 2016, 8, 935–940, doi: 10.1038/nchem.2552). Porficenul poate fi considerat o modificare a porfirinei, al cărei ciclu interior conține patru atomi de azot și doi atomi de hidrogen. Vibrațiile sondei AFM au transferat suficientă energie moleculei de porficen pentru a transfera acești hidrogeni de la un atom de azot la altul și, ca rezultat, s-a obținut o „imagine în oglindă” a acestei molecule (Fig. 8).
Grupul condus de neobositul Leo Gross a arătat, de asemenea, că este posibil să se inițieze reacția unei singure molecule - au transformat dibromoantracenul într-o diină ciclică cu zece membri (Fig. 9; Chimia naturii, 2015, 7, 623–628, doi: 10.1038/nchem.2300). Spre deosebire de Kumagai și colab., au folosit un microscop de scanare tunel pentru a activa molecula, iar rezultatul reacției a fost monitorizat folosind un microscop cu forță atomică.
Utilizarea combinată a unui microscop cu scanare tunel și a unui microscop cu forță atomică a făcut chiar posibilă obținerea unei molecule care nu poate fi sintetizată folosind tehnici și metode clasice ( Nanotehnologia naturii, 2017, 12, 308–311, doi: 10.1038/nnano.2016.305). Acest triangulen este un diradical aromatic instabil, a cărui existență a fost prezisă cu șase decenii în urmă, dar toate încercările de sinteză au fost eșuate (Fig. 10). Chimiștii din grupul lui Niko Pavlicek au obținut compusul dorit prin îndepărtarea a doi atomi de hidrogen din precursorul său folosind STM și confirmând rezultatul sintetic folosind AFM.
Se presupune că numărul lucrărilor dedicate aplicării microscopiei cu forță atomică în chimia organică va continua să crească. În prezent, din ce în ce mai mulți oameni de știință încearcă să repete pe suprafața reacției, binecunoscuta „chimie a soluției”. Dar poate că chimiștii sintetici vor începe să reproducă în soluție acele reacții care au fost efectuate inițial la suprafață folosind AFM.
De la neviu la viu
Consolele și sondele microscoapelor cu forță atomică pot fi utilizate nu numai pentru studii analitice sau sinteza moleculelor exotice, ci și pentru rezolvarea problemelor aplicate. Cazuri de utilizare a AFM în medicină sunt deja cunoscute, de exemplu, pentru diagnosticarea precoce a cancerului, iar aici pionierul este același Christopher Gerber, care a contribuit la dezvoltarea principiului microscopiei cu forță atomică și la crearea AFM.
Astfel, Gerber a reușit să învețe AFM să determine mutația punctuală a acidului ribonucleic în melanom (pe materialul obținut în urma unei biopsii). Pentru a face acest lucru, cantileverul de aur al unui microscop cu forță atomică a fost modificat cu oligonucleotide care pot intra în interacțiune intermoleculară cu ARN, iar puterea acestei interacțiuni poate fi încă măsurată datorită efectului piezoelectric. Sensibilitatea senzorului AFM este atât de mare încât este deja folosit pentru a studia eficacitatea metodei populare de editare a genomului CRISPR-Cas9. Reunește tehnologii create de diferite generații de cercetători.
Pentru a parafraza un clasic teorii politice, putem spune că deja vedem posibilitățile nelimitate și inepuizabilitatea microscopiei cu forță atomică și cu greu ne putem imagina ce urmează în legătură cu dezvoltarea ulterioară a acestor tehnologii. Dar și astăzi, microscopul cu scanare tunel și microscopul cu forță atomică ne oferă posibilitatea de a vedea atomi și de a-i atinge. Putem spune că aceasta nu este doar o extensie a ochilor noștri, care ne permite să privim în microcosmosul atomilor și al moleculelor, ci și ochi noi, degete noi care pot atinge acest microcosmos și îl pot controla.
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 capturat de câmpuri electrice a câștigat un prestigios concurs de fotografie științifică, primind 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 absoarbe și reemite particule de lumină suficient de repede, fapt pentru care o cameră convențională ar fi putut-o fotografia cu o expunere lungă.”
„Fotografia a fost făcută prin fereastra camerei cu vid ultra-înalt în care se află capcana. Ionii atomici răciți cu laser sunt o bază excelentă pentru studiul și utilizarea proprietăți unice fizică cuantică. Ele sunt folosite pentru a crea ceasuri extrem de precise sau, în acest caz, ca particule pentru a construi computerele cuantice ale viitorului, care pot rezolva probleme care le eclipsează chiar și pe cele mai puternice supercomputere 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 capăt, 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 compoziția cantitativă a acestor microparticule în structura generala atom.
De exemplu, structura unui atom de hidrogen constă 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.
Chiar mai mult fapte uimitoare deschis 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 acestea 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 se mută 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.
De altfel, autorul RFC în „reflecțiile” sale a mers atât de departe încât este timpul să invoce contraargumente grele, și anume, datele experimentului oamenilor de știință japonezi privind fotografia atomului de hidrogen, care a devenit cunoscut pe 4 noiembrie 2010. Imaginea arată clar forma atomică, confirmând atât discretitatea cât și rotunjimea atomilor: „Un grup de oameni de știință și specialiști de la Universitatea din Tokyo a fotografiat un singur atom de hidrogen pentru prima dată în lume - cel mai ușor și mai mic dintre toți atomii, știri raportul agențiilor.
Poza a fost făcută cu unul dintre cele mai noi tehnologii– un microscop electronic cu scanare special. Folosind acest dispozitiv, împreună cu un atom de hidrogen, a fost fotografiat și un atom de vanadiu separat.
Diametrul unui atom de hidrogen este de o zece miliarde de metru. Anterior, se credea că era aproape imposibil să o fotografiezi cu echipamente moderne. Hidrogenul este cea mai comună substanță. Ponderea sa în întregul Univers este de aproximativ 90%.
Potrivit oamenilor de știință, alte particule elementare pot fi capturate în același mod. „Acum putem vedea toți atomii care alcătuiesc lumea noastră”, a spus profesorul Yuichi Ikuhara. „Acesta este o descoperire în noile forme de producție, când în viitor va fi posibil să se ia decizii la nivelul atomilor și moleculelor individuale.”
Atom de hidrogen, culori condiționate
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i21/e213001
Un grup de oameni de știință din Germania, Grecia, Țările de Jos, SUA și Franța au fotografiat atomul de hidrogen. Aceste imagini, obținute cu un microscop cu fotoionizare, arată distribuția densității electronice, care coincide complet cu rezultatele calculelor teoretice. Activitatea grupului internațional este prezentată în paginile Physical Review Letters.
Esența metodei de fotoionizare este ionizarea secvențială a atomilor de hidrogen, adică îndepărtarea unui electron din ei datorită iradierii electromagnetice. Electronii separați sunt direcționați către matricea sensibilă printr-un inel încărcat pozitiv, iar poziția electronului în momentul ciocnirii cu matricea reflectă poziția electronului în momentul ionizării atomului. Inelul încărcat, care deviază electronii în lateral, joacă rolul unei lentile și cu ajutorul lui imaginea este mărită de milioane de ori.
Această metodă, descrisă în 2004, a fost deja folosită pentru a face „poze” moleculelor individuale, dar fizicienii au mers mai departe și au folosit un microscop cu fotoionizare pentru a studia atomii de hidrogen. Deoarece lovirea unui electron dă doar un punct, cercetătorii au acumulat aproximativ 20.000 de electroni individuali de la diferiți atomi și au făcut media imaginii învelișurilor de electroni.
Conform legilor mecanicii cuantice, un electron dintr-un atom nu are o poziție definită în sine. Doar atunci când un atom interacționează cu mediul extern, un electron cu o probabilitate sau alta apare într-o anumită vecinătate a nucleului atomic: regiunea în care probabilitatea de a găsi un electron este maximă se numește înveliș electronic. Noile imagini arată diferențe între atomii cu diferite stări de energie; oamenii de știință au reușit să demonstreze vizual forma învelișurilor de electroni prezisă de mecanica cuantică.
Cu ajutorul altor instrumente, microscoape de scanare cu tunel, atomii individuali nu pot fi doar văzuți, ci și mutați în locul potrivit. În urmă cu aproximativ o lună, această tehnică le-a permis inginerilor IBM să deseneze un desen animat, fiecare cadru fiind compus din atomi: astfel de experimente artistice nu au niciun efect practic, dar demonstrează posibilitatea fundamentală de a manipula atomii. În scopuri aplicate, nu mai este un ansamblu atomic, ci procese chimice cu autoorganizare a nanostructurilor sau autolimitare a creșterii straturilor monoatomice pe un substrat.
Sa incercam. Nu cred că tot ce este scris mai jos este complet adevărat și aș fi putut scăpa ceva, dar analiza răspunsurilor existente la întrebări similare și propriile mele gânduri s-au aliniat astfel:
Luați un atom de hidrogen: un proton și un electron pe orbita lui.
Raza unui atom de hidrogen este doar raza orbitei electronului său. În natură, este egal cu 53 picometri, adică 53 × 10^-12 metri, dar dorim să-l creștem la 30 × 10^-2 metri - de aproximativ 5 miliarde de ori.
Diametrul unui proton (adică nucleul nostru atomic) este de 1,75×10^−15 m. Dacă îl măriți la dimensiunea dorită, acesta va avea dimensiunea de 1×10^−5 metri, adică o sutime din un milimetru. Nu se distinge cu ochiul liber.
Să creștem mai bine protonul imediat la dimensiunea unui bob de mazăre. Orbita electronului va fi atunci raza unui teren de fotbal.
Protonul va fi o regiune cu sarcină pozitivă. Este format din trei quarci, care sunt de aproximativ o mie de ori mai mici decât el - cu siguranță nu îi vom vedea. Există o părere că, dacă acest obiect ipotetic este presărat cu cipuri magnetice, se va aduna în jurul centrului într-un nor sferic.
Electronul nu va fi vizibil. Nicio bilă nu va zbura în jurul nucleului atomic, „orbita” electronului este doar o regiune, în diferite puncte în care electronul poate fi localizat cu probabilități diferite. Vă puteți imagina asta ca pe o sferă cu diametrul unui stadion în jurul bobului nostru de mazăre. În puncte aleatorii din interiorul acestei sfere, apare o sarcină electrică negativă și dispare instantaneu. Mai mult, o face atât de repede încât chiar și în orice moment nu are sens să vorbești despre locația sa specifică... da, este de neînțeles. Pur și simplu, nu „arata” deloc.
Este interesant, de altfel, că prin creșterea atomului la dimensiuni macroscopice, sperăm să-l „vedem” – adică să detectăm lumina reflectată de el. De fapt, atomii de dimensiuni obișnuite nu reflectă lumina; la scară atomică, vorbim despre interacțiunile dintre electroni și fotoni. Un electron poate absorbi un foton și poate trece la următorul nivel de energie, poate emite un foton și așa mai departe. Cu acest sistem mărit ipotetic la dimensiunea unui teren de fotbal, ar fi necesare prea multe presupuneri pentru a prezice comportamentul acestei structuri imposibile: ar avea un foton același efect asupra unui atom gigant? Este necesar să „privim” la el bombardând-o cu fotoni giganți speciali? Va emite fotoni giganți? Toate aceste întrebări sunt, strict vorbind, lipsite de sens. Cred, totuși, că este sigur să spun că atomul nu va reflecta lumina așa cum ar face-o o bilă de metal.
