Fiziķi ir ieguvuši detalizētu atoma kodola attēlu
Pirms vairāk nekā simts gadiem britu fiziķis Ernests Rezerfords veica virkni eksperimentu, kas veidoja pamatu mūsu izpratnei par atomu uzbūvi un radioaktivitāti. Viņa atklājums par atoma kodolu (un pirmā mākslīgā atomu kodolu transformācija) noveda pie jaunas matērijas koncepcijas radīšanas, saskaņā ar kuru elektroni, tāpat kā planētas, pārvietojas pa orbītām ap atoma kodolu, kas atrodas centrā.
1911. gadā Rezerfords secināja, ka atoma kodolam ir pozitīvs lādiņš, kas nosaka kopējo elektronu skaitu atoma apvalkā. Rezerforda, Nīlsa Bora, Hansa Geigera un Pjotra Kapicas atklājumi parādīja, ka atoma kodolam patiešām ir pozitīvs lādiņš, bet apkārtējiem elektroniem (precīzāk, elektronu mākoņiem) ir negatīvs lādiņš. Zīmīgi, ka izcilu fiziķu atklājumi tika veikti bez tiešas atomu novērošanas, Taču šodien viss ir mainījies – nesen Brukhavenas Nacionālās laboratorijas pētnieki ziņoja, ka viņiem izdevies iegūt atoma kodola attēlu.
Pirmais atoma attēls
Atomi ir tik mazi, ka tos nevar novērot ar neapbruņotu aci, pat ar visspēcīgāko mikroskopu. Vismaz tā tas bija līdz 2009. gadam, kad fiziķi fotografēja atomu un tā apkārtējos elektronus. Attēli, kas publicēti žurnālā Physical Review B, parāda detalizētus viena oglekļa atoma elektronu mākoņa attēlus.
Šī ir pirmā reize, kad zinātnieki ir spējuši tieši novērot atoma iekšējo struktūru. Pirms tam, sākot ar 80. gadiem, fiziķi kartēja materiāla atomu struktūru, izmantojot matemātikas un attēlveidošanas metodes.
Daļa no problēmas bija tā, ka saskaņā ar kvantu mehānikas principiem elektrons neeksistē kā viens punkts, ko jūs varat redzēt – tas izplatās ap kodolu mākonī, ko sauc par orbitāli. Bāli zilās sfēras un sadalītie mākoņi attēlā parāda divus elektronu izvietojumus oglekļa atoma orbitālēs. Šīs struktūras apstiprina zinātnieku agrīnos atklājumus, jo atbilst noteiktajiem kvantu mehānikas principiem.
Elektroniskās ptihogrāfijas metode
Nākamais solis ceļā uz atomu struktūras novērošanu bija Kornela universitātes zinātnieku izgudrojums, kuriem izdevās uzbūvēt jaudīgu detektoru un uzstādīt pasaules rekordu, trīskāršojot modernā elektronu mikroskopa izšķirtspēju. Darbs tika publicēts zinātniskajā žurnālā Science.
Šis instruments ir elektronu mikroskopa pikseļu masīva detektors (EMPAD) ar iebūvētiem 3D rekonstrukcijas algoritmiem, kas spēja uztvert atomu termiskās vibrācijas un iegūt jaunu attēlu no tiem trīs dimensijās. Līdz 2021. gadam visi iepriekšējie mēģinājumi attēlot un pētīt atsevišķus atomus tika samazināti līdz izplūdušiem attēliem.
Darba rezultātā iegūtais attēls kļuva iespējams, pateicoties metodei, ko sauc par elektronisko ptihogrāfiju – skenēšanas paņēmienu ārkārtīgi mazu izmēru objektu, piemēram, elektronu un rentgenstaru, attēlu iegūšanai.
Kodola attēls atoma iekšpusē
Tātad, mēs nonākam pie pēdējā patiesi pārsteidzošā atklājuma. Šoreiz fiziķu instruments bija nevis elektronu mikroskops, bet gan relativistiskais smago jonu paātrinātājs (RHIC), kura pamatā ir kvantu sapīšanās princips.
Kvantu sapīšanās ir saite starp divām (vai vairākām) daļiņām, kuru īpašības paliek nemainīgas neatkarīgi no tā, cik tālu šīs daļiņas atrodas viena no otras. Alberts Einšteins, starp citu, sapīšanos sauca par “pārdabisku”.
Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) ir daļiņu paātrinātājs, kas paredzēts smago jonu (zelta, vara, urāna u.c.) sadursmju izpētei relativistiskā ātrumā. Kā skaidro attēla autori, kolidera darbības princips atgādina pozitronu emisijas tomogrāfijas (PET) metodi, kas ļauj redzēt, kas notiek smadzenēs un citos orgānos.
Pateicoties jaunajai metodei, fiziķi varēja gūt ieskatu atomu iekšējā struktūrā, kā arī liecināt par jaunu kvantu sapīšanās veidu. Šī efekta izpēte mūsdienu fizikā tiek uzskatīta par vienu no perspektīvākajām – eksperimenta laikā zinātnieki novēroja fotonus un zelta jonus to paātrinājuma brīdī ap RHIC kolideru un rezultātā ieskatījās atomu kodolu iekšienē.
Kā ieraudzīt atomu?
Atomu kodols sastāv no neitroniem un protoniem, kas ietver kvarkus un gluonus, kas tos saista. Pateicoties vairākām kvantu svārstībām eksperimenta laikā, fotoni nonāca mijiedarbībā ar gluoniem, veidojot starpdaļiņu (“ro”), kuras tūlītēja sabrukšana veidoja divus tā sauktos “pionus” – π+ un π-. Iegūtā informācija ļauj ar detalizētu precizitāti attēlot gluonu atrašanās vietu atoma kodolā.
Neskatoties uz to, atomu un tā kodolu nav iespējams redzēt ar acīm. Jaunajam attēlam, kas publicēts 2023. gada sākumā, ir ilgstoša ekspozīcija, taču pat visspēcīgākajiem zinātniskajiem instrumentiem ir grūti notvert elementārdaļiņas, jo tās ir neticami mazas.
Taču īpaši svarīgi ir tas, ka jaunais atomu kodolu struktūras attēls un iepriekšējie attēli, kas iegūti 2009. un 2021. gadā, atbilst teorētiskajām prognozēm un kvantu mehānikas pamatprincipiem. Turklāt šis ir pirmais eksperimentālais kvantu sapīšanās (un tā jaunās formas) novērojums starp atšķirīgām daļiņām.
Tomēr subatomiskā pasaule joprojām ir noslēpums zinātniekiem, kuri cenšas noskaidrot, kā veidojas mūsu realitāte. Uzdevums nav viegls, piekritīsiet.
Par laimi, turpmākie eksperimenti RHIC (kā arī citi kolideri un vēl jaudīgāki instrumenti) ļaus fiziķiem ne tikai detalizēti izpētīt gluonu sadalījumu atomu kodolos, bet arī labāk izprast Visuma sarežģīto un noslēpumaino struktūru.
