Впервые удалось заглянуть внутрь атома

До сих пор применённый учёными фотоионизационный метод позволял проделывать подобное только с молекулами.

Международная научная группа под общим руководством Анеты Стодольна (Aneta Stodolna) из лаборатории AMOLF Нидерландского фонда фундаментальных исследований сделала снимок атома водорода. В этом учёным помог метод, описанный советскими физиками Ю. Н. Демковым, В. Д. Кондратовичем и В. Н. Островским в 1981 году.

Получить картину происходящего внутри атома предельно сложно. Вместо точного «адреса» того же электрона квантовая физика предлагает нам описание его местоположения в виде волновой функции, дающей вероятность обнаружения частицы в том или ином месте. Теоретически волновую функцию можно предсказать, но как её измерить? Попытка её прямого наблюдения приводит к коллапсу, фактическому уничтожению функции, с соответствующей потерей информации.

Сущность метода, при помощи которого был сделан столь необычный снимок, относительно проста. Два лазера обстреливают атомы водорода внутри закрытой камеры. Электроны вылетают из атомов со скоростями и направлениями, зависящими от их волновой функции излучения (ионизация), и начинают интерферировать. Сильное электрическое поле внутри камеры направляет электроны к заранее предусмотренным точкам на плоском детекторе, где они распределяются по скоростям, которые получили после соударения, а не в зависимости от своего первоначального местоположения.

Таким образом, распределение электронов на плоском детекторе (экране), находящемся на некотором удалении от источника электронов, совпадает с волновой функцией, которую они имели перед тем, когда лишились контакта с атомным ядром, бросив свои орбиты и отправившись в путешествие по камере.

Ранее метод использовался лишь для получения «снимков» молекул, и только теперь в его поле зрения впервые попал отдельный атом.

Распределение электронов отражается на фосфоресцирующем экране, и именного его и зафиксировали физики. Конечно, чтобы иметь точный «портрет» атома водорода, таких электронов надо накопить довольно много — ведь фактически об электроне нельзя сказать, что есть точка, в которой он наверняка находится. На деле он с некоторой вероятностью существует в области пространства, ограниченной некоей поверхностью. Плотность вероятности его появления на ограниченной поверхности может, по сути, выбираться произвольно, однако обычно (для простоты) её «назначают» в диапазоне от 0,9 до 0,99. Поэтому, хотя электрон в атоме водорода всего один, он не имеет какого-то определённого положения сам по себе, и для гарантированного понимания реальной ситуации внутри атома водорода пришлось накопить данные почти по 20 тыс. электронов, «выбитых» из примерного того же числа атомов водорода.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Physical Review Letters, а с его текстом можно ознакомиться здесь.

Подготовлено по материалам ScienceNOW.