Можно ли сфотографировать строение атома?

Чтобы понять, можно ли сфотографировать структуру атома, нужно выяснить, что этот самый атом из себя представляет. Каждый хотя бы раз видел картинку, которой обычно изображают строение атома.

В его центре находится ядро (так называемый нуклон – протоны и нейтроны, соединенные сильным взаимодействием между собой), а вокруг ядра по орбиталям крутятся электроны. Но такая схема часто вводит в заблуждение: орбитали показаны на ней как тонкие линии, а электроны выступают в качестве частиц. Все это напоминает движение космических тел по орбитам. Но на самом деле, эта схема передает лишь общие черты строения атома.

Давайте представим, что мы смогли сфотографировать атом водорода, у которого есть только один электрон, в определенный момент времени.

Желтая точка – это ядро, а синяя – электрон. Запомним его местоположение и сфотографируем атом в другой момент времени.

Электрон поменял свое местоположение, что логично. А что будет, если сделать несколько десятков таким снимков и наложить их друг на друга? Давайте посмотрим.

Получается, электрон может находиться практически в любой точке атома? Верно, но если присмотреться, можно обнаружить, что вероятность его обнаружения в определенной окружности (выделена серым цветом) выше, чем в других местах. Именно эта область и называется «орбиталь», а вся область, в которой может находиться электрон, будет называться «электронным облаком».

Почему нельзя точно вычислить местоположение электрона в атоме? Здесь следует вспомнить, что электрон – это элементарная частица, и в определенной ситуации может вести себя как частица, а в другой ситуации – как волна. То есть его местоположение в атоме задается распределением вероятности.

Когда атом не подвергается воздействию, электрон ведет себя как волна, но достаточно лишь посмотреть на него, как он становится частицей и предстает перед нами в точке, в которой совсем не должен находиться. То есть, при любой попытке сфотографировать строение атома, вся система рушится, и мы не можем увидеть электрон в его действительном состоянии.

Чтобы упростить эксперимент, был выбран атом водорода, так как он содержит только один электрон. Далее атом поместили в герметичную камеру между двух лазеров, которые, ионизируя атом, заставляли электрон срываться с орбитали. Электромагнитное поле внутри камеры направляло электрон в сторону пластины-детектора, где он отмечался в виде точки.

При этом его положение на пластине совпадает с тем положением, которое он занимал в атоме в момент обстрела. Повторив эксперимент около двух тысяч раз, физики получили картину, которую можно считать изображением структуры атома водорода. Чем краснее точка, тем больше вероятность нахождения в ней электрона.

Сколько времени живет фотон? Может ли фотон «умереть»?

В человеческом сознании все в мире подчиняется течению времени: от нашей собственной жизни до величественного танца галактик на просторах Вселенной. Но когда мы говорим о таких странных частицах как фотонах, наши представления о времени имеют мало общего с реальностью.

Известно, что фотоны – частицы света – имеют нулевую массу покоя. Именно это позволяет им перемещаться со скоростью света. Чем быстрее передвигается объект в пространстве, тем медленнее для него идет время относительно наблюдателя. Для фотона, летящего со скоростью света, оно вовсе останавливается.

Что это означает? Похоже, фотон вовсе не воспринимает течение времени. Миллиарды лет существования Вселенной, не говоря уже о времени жизни человека, для этой частицы проходят как одно мгновение. Более того, для фотона, летящего со скоростью света, все расстояния по направлению его движения сократятся до точки – вступает в действие эффект релятивистского сокращения длины. Получается, фотон с его точки зрения живет и существует лишь мгновение, никуда при этом не перемещаясь – пока не будет поглощен каким-либо объектом.

А с точки зрения нас – наблюдателей – фотон может существовать бесконечно, пересекая космическое пространство со скоростью света. Испущенный в самом начале рождения Вселенной, он может существовать до самого ее конца. С нашей точки зрения – вечность.