Что там внутри атома водорода?
What lies within the H atom?
«Квантовый микроскоп» заглядывает в атом водорода
Первое прямое наблюдение орбитальной структуры возбужденного атома водорода было проведено международной группой исследователей, с использованием недавно разработанного «квантового микроскопа», который использует фотоионизационную микроскопию для визуализации структуры напрямую. Демонстрация исследователей доказывает, что «фотоионизационная микроскопия», впервые предложенная более 30 лет назад, может быть экспериментально реализована и может служить в качестве инструмента для изучения тонкостей квантовой механики.
Информационный поток
Волновая функция является центральным понятием квантовой теории - проще говоря, она содержит максимум доступного знания о состоянии квантовой системы. В частности, волновая функция является решением уравнения Шредингера. Квадрат волновой функции описывает вероятность того, где именно частица может находиться в данный момент времени. Хотя она занимает видное место в квантовой теории, прямое измерение или наблюдение волновой функции не легкая задача, так как любое прямое наблюдение уничтожает волновую функцию, прежде чем он может быть полностью обнаружена.
В прошлом, в экспериментах с «ридберговскими волновыми пакетами» пытались наблюдать волновую функцию, используя сверхкороткие лазерные импульсы. В этих экспериментах атомы находятся в суперпозиции их сильно возбужденных «ридберговских состояний».Эти эксперименты показывают, что периодические орбитали электрона вокруг ядра описываются когерентными суперпозициями квантово-механических стационарных состояний. Волновая функция каждого из этих состояний представляет собой стоячую волну с узловым рисунком («узел»,- где нулевая вероятность нахождения электрона), отражающим квантовые числа состояния. В то время как предыдущие эксперименты пытались схватить неуловимую волновую функцию или узловую картинку, методы, используемые в них, оказались не адекватными. Прямое наблюдение узловой структуры одного атома является наиболее трудно достижимым.
Построение волн
В новой работе, Анета Штодолна (Aneta Stodolna) из Института атомной и молекулярной физики в Нидерландах, вместе с Марком Фракингом (Marc Vrakking) из института Макса Борна в Берлине, Германия, и другими коллегами в Европе и США показали, что фотоионизационная микроскопия может непосредственно дать структуру узловых электронных орбиталей атома водорода, помещенного в статическое электрическое поле. В эксперименте, атом водорода находится в электрическом поле
E
и возбуждается лазерными импульсами. Электрон покидает атом, ионизируя его и, по соответствующей конкретной траектории движется к детектору - двойная микроканальная пластина (МКП), которая перпендикулярна полю. Учитывая, что есть много таких траекторий, которые достигают той же точки на детекторе, можно наблюдать интерференционную картину, которую исследователи увеличивают на коэффициент более чем 20000 с использованием электростатического зум-объектива. Интерференционная картина непосредственно отражает узловую структуру волновой функции. Эксперименты проводились как с резонансной ионизацией с участием ридберговского состояния, так и с не резонансной ионизацией.
Атом водорода был выбран благодаря своим уникальным свойствам. «Эти [атомы водорода] очень своеобразны ... так как водород имеет только один электрон, который взаимодействует с ядром чисто кулоновским взаимодействием, он имеет определенную структуру, когда мы поместим его в постоянное электрическое поле», говорит Фракинг. Он продолжает объяснять, что благодаря своему одноэлектронному состоянию, волновую функцию водорода можно представить в виде произведения двух волновых функций, описывающих, как она меняется в зависимости от двух координат - так называемых параболических координатах. То есть, Гамильтониан атома водорода (во внешнем электрическом поле) описывает расщепление его уровней энергии, известное как «эффект Штарка». Более важно, однако, что этот «Штарк-гамильтониан» строго разделен с точки зрения двух параболических координат, которые являются линейными комбинациями расстояние электрона от ядра атома водорода
R
и смещение электрона вдоль электрического поля по оси
Z
.
Фракинг сообщил для
physicsworld.com
, что форма двух параболических волновых функций, следовательно, «совершенно не зависит от напряженности поля, и поэтому неизменна - она остается такой же, пока электрон путешествует на более полметра в эксперименте - весь путь от ионизации до 2D детектора». Это, объясняет он, имеет решающее значение для расширения пространственного распределения, чтобы увеличить узловые картинки до миллиметрового масштаба размеров, где их можно наблюдать невооруженным глазом на 2D-детекторе и записывать при помощи видеокамеры. «То, что вы видите на детекторе, то и есть в атоме», говорит он. Исследователи наблюдали несколько сотен тысяч актов ионизации для получения результатов, с одинаковой подготовкой волновой функции для каждого.
Что там внутри
На рисунке в верхней части этой статьи показан основной результат - необработанные данные видеокамеры за четыре измерения, когда атомы водорода были возбуждены к состояниям с нулем, одним, двумя и тремя узлами волновой функции для одной из параболических координат. «Если Вы посмотрите на зафиксированные проекции на детекторе, Вы можете легко распознать узлы и увидеть радиальную и кольцевую структуры», говорит Фракинг.
Он также указывает на «поразительную разницу» между изображениями, записанными после резонансного возбуждения и изображениями, записанными без резонансного возбуждения. Для резонансной ионизации, внешнее кольцо простирается значительно дальше радиально, что может быть объяснено наличием особого вида туннельного эффекта.
Фракинг говорит, что конечной целью исследования было изучение и визуализация атома водорода. Дальнейшие эксперименты могут показать, как будет реагировать атом на магнитное поле, изучать временное разрешение динамики электронов, обследовать голографическую интерференционную микроскопию и, возможно, даже наблюдать фотоионизацию молекул с помощью таковой микроскопии.
Гелий под микроскопом
Однако в настоящее время исследователи изучают и анализируют атом гелия, используя фотоионизационную микроскопию и статья об этом будет опубликована в ближайшие месяцы. «Поскольку существует два электрона в атоме гелия, мы получаем очень интересную информацию», говорит Фракинг. Он говорит, что в то время как в некоторых аспектах поведение атома гелия очень похоже на поведение атома водорода, есть также и существенные различия. «Хотя один из гелиевых электронов очень тесно связан с ядром, а другой очень сильно возбужден, мы можем видеть, что электроны знают о существовании друг друга и что они "разговаривают друг с другом"», говорит Фракинг, объясняя что это может позволить «увидеть» запутывание электронов.
С помощью этого уникальнейшего эксперимента можно определить форму электрона, то есть определить имеет электрон форму тора или форму сферы. Для этого нужно не просто провести изучение атома водорода в магнитном поле, а перевести проведение эксперимента с переходом из электрического поля в магнитное поле и обратно по несколько раз. Что это даст? При переходе из электрического поля в магнитное изменение орбиты электрона моментально зафиксируется на экране детектора. Если электрон имеет форму тора, то при смене поля с электрического на магнитное, торовая поверхность электрона повернётся на 90 градусов. И колебания электрона будут происходить в перпендикулярной плоскости. На экране это отразиться изменением следа ширины кольца орбиты на линию. Кроме того, переход в эксперименте от электрического поля к магнитному позволит изменить расстояние электрона от протона и установить зависимость массы атома водорода от величины радиуса орбиты электрона.
Возможности эксперимента интересны и тем, что позволяют смещать орбиту электрона относительно протона, а, следовательно, изучать, как электрон, так и протон в изменённых условиях.
А. Т. Дудин
13 декабря 2013 г.
11:51:23
Эксперимент очень интересный, рисунок с видиокамер удивительный. Судя по точкам на внутреннем и внешнем кольце орбиты электрона, а внутри кольца наличия прямых пересекающихся линий, можно сделать вывод, что колебания электрона на орбите происходят пилообразно.
Э. Ф. Кавун
27 мая 2013 г.
13:04:44
Привет, Олег. А у меня возник другой вопрос. Ежели возможно "прямое наблюдение орбитальной структуры... атома водорода", то ЗАЧЕМ нужен БАК?
Мне кажется, это все "штучки" моделирования, а не реального наблюдения. Потому и воспринимаются уже только как пиар-сообщения мейнстримовской тематики. Бизнес - одним словом.
О. Е. Кириллов
26 мая 2013 г.
10:01:11
Да простят меня автор новости и авторы статьи, но эксперимент какой то мутный. Возникает множество вопросов. С чего бы это фотоны вылетевшие из разных атомов, пролетев мимо других атомов дают вдруг на экране распределение вероятности нахождения электрона в атоме??!! Почему "видны" только s-состояния, если при возбуждении из основного состояния электрон никогда не переходит напрямую в верхнее s-состояние (правило отбора по азимутальному квантовому числу)?
С чего это вдруг: Фракинг сообщил для physicsworld.com , что форма двух параболических волновых функций, следовательно, "совершенно не зависит от напряженности поля,..." Когда вот тут на портале в статье Храпко Р.И. приводятся как раз эти волновые функции, точнее их составляющие, в этих же самых параболических координатах и невооруженным глазом видно, что они от напряженности поля зависят!
Вообще словосочетание "увидеть, наблюдать волновую функцию" это какой то мягко говоря нонсенс, а проще говоря бред.
Глядя на картинки из статьи возникает ощущение, что это дифракционные картинки от дифракции фотонов на кристаллической решетке. (Эксперименты типа Дэвиссона-Джермера, условие Брэгга-Вульфа и тп).