На прикладі атома калію створена модель взаємодії Юпітера з його троянськими астероїдами

Міжнародній групі фізиків вдалося домогтися від електрона того, щоб він став вести себе як об'єкт, чиє рух підпорядковується законам класичної механіки. Таким чином вони отримали на прикладі атома калію модель взаємодії Юпітера з його троянськими астероїдами. І заодно довели справедливість вельми давньою гіпотези Нільса Бора ...

Ще на початку минулого століття Ернст Резерфорд, пропонуючи свою модель пристрою атома, говорив про те, що в принципі будова цієї одиниці світобудови вельми схоже на таке абстрактної планетної системи. Мовляв, в центрі атома знаходиться ядро, яке аналогічно зірці, а поруч з ним за стандартними орбітах немов планети обертаються електрони. З цього твердження слідував вельми цікавий висновок - закони функціонування планетних систем можна вивчити на прикладі атома. Що, як ви розумієте, набагато простіше, ніж в тисячу телескопів дивитися.

Однак, на жаль, незабаром від цієї моделі довелося відмовитися, оскільки виникло одне нерозв'язне протиріччя. Справа в тому, що, згідно з класичною електродинаміки, електрон при русі з доцентрові прискоренням повинен випромінювати електромагнітні хвилі, а, отже, втрачати енергію. Ну, а вона, самі розумієте, кінцева - тобто в результаті електрон просто впаде на ядро. Причому час, за яке відбудеться повна втрата енергії, можна сказати, мізерно - це якісь соті частки секунди.

В результаті вчені зрозуміли, що рух електрона навколо ядра не підкорятимуться законам класичної механіки. Довелося створювати зовсім нову галузь наукового знання - квантову механіку, яка і дала відповіді на багато питань. Так що тепер навіть старшокласники знають про те, що, рухаючись навколо ядра, електрон енергію не втрачає, що визначеності в траєкторії його руху немає ніякої, і що можна говорити лише про ймовірність знаходження електрона в конкретний момент в заданій точці поруч з ядром.

Взагалі, стан електронів описується хвильової функцією, квадрат модуля якої характеризує щільність ймовірності перебування частинок в даній точці простору в даний момент часу. Простіше кажучи, вчені вважають, що електрони начебто розмазуються навколо ядра. Відповідно, фізики ніколи не можуть точно сказати, де в конкретний момент знаходиться конкретний електрон - вони можуть лише міркувати про вірогідність їх знаходження в тому чи іншому місці.

Читайте також: Секрет телепортації розкритий?

Виходить, що атом не може бути моделлю планетної системи - адже траєкторії руху планет досить чіткі, і про те, де в конкретний момент часу знаходиться та чи інша небесне тіло, завжди можна сказати точно. Однак вчених все-таки іноді відвідує бажання перетворити атом в подібну модель. І, що найцікавіше, в ряді випадків у них це виходить.

В принципі, подібне зробити не так-то вже й складно. Перш за все, потрібно якимось способом коллапсировать хвильову функцію електрона, в результаті чого частка буде вести себе як локалізований хвильовий пакет (образно кажучи, "стиснеться в точку"). І, звичайно ж, слід зробити це так, щоб вся система, тобто електрон і ядро ​​атома при цьому не руйнувалися (а то спостерігати буде нічого).

І ось недавно вчені з університету Райса (США), Віденського технологічного університету та американської національної лабораторії в Окридже змогли провести подібний експеримент з атомом калію. Перш за все, вони перевели його в стан, який називається атомом Ридберга - це такий атом (водню або лужних металів, з іншими ці "жарти" не проходять), у якого зовнішній електрон знаходиться в високозбуджених стані. Зазвичай подібний ефект досягається при опроміненні атомів резонансним лазерним світлом або ініціацією радіочастотного розряду. В даному випадку фізики спочатку вибрали перший спосіб.

В результаті їм вдалося коллапсировать його хвильову функцію, через що на "фотографії" цей електрон став схожий на тіло, що нагадує кому. Але ось біда - при подібному впливі досить швидко відбувалося руйнування самого атома. Тоді експериментатори доклали до атому обертається радіочастотне електричне поле. І це принесло успіх - воно захопило електрон-кому і змусило його синхронно обертатися навколо ядра. У той же час інший прикладений до системи електричний імпульс дозволив зробити миттєву "фотографію" цього атома Ридберга.

Після того, як було зроблено кілька десятків тисяч таких знімків (одним обійтися було не можна, оскільки, на жаль, в момент фотографії атом руйнувався), вчені проаналізували результати експерименту. І яке ж було їх здивування, коли вони побачили, що локалізований електрон поводився по відношенню до ядра так само, як ... троянські супутники Юпітера!

Нагадаю, що троянськими супутниками зазвичай називають небесні тіла (наприклад, астероїди), що знаходяться в околицях точок Лагранжа L4 і L5 (точки, в яких вони знаходяться в нерухомості відносно найближчих небесних тіл) в орбітальному резонансі 1: 1 будь-яких планет. І, до речі, у Юпітера таких "троянців" чимало - понад чотири тисячі. І ось вони, за спостереженнями астрономів, також, перебуваючи на орбіті Юпітера, разом формують дві "коми" (за формою схожі на локалізований хвильовий пакет), що випереджають даний газовий гігант і відстаючі від планети в її шляху навколо Сонця.

"Ще Нільс Бор передбачив, що квантово-механічне опис фізичного світу для систем достатнього розміру буде збігатися з класичним описом, представленим ньютонівської механікою. Він також вказав на умови, при яких це відповідність можна було б спостерігати. Зокрема, такий збіг має проявлятися в атомах з дуже високим значенням головного квантового числа "- підводить підсумок експериментів доктор Баррі Даннінг, який очолював групу дослідників.

Цікаво, що саме це передбачення і підтвердили фізики в даному експерименті. Головне квантове число електрона в рідбергів атом в цій серії експериментів становила від 300 до 600 (нагадаю, що головне квантове число характеризує енергетичний рівень електрона). "У таких збуджених станах атоми калію в сотні тисяч разів більше, ніж зазвичай, і походять за розміром на точку в кінці речення. Таким чином, вони є хорошими кандидатами для перевірки передбачення Бора", - говорить професор Даннінг.

Читайте також: Вчені на пікосекунду "заплутали" алмаз

Отже, як бачите, дійсно, при певних умовах мікросвіт може виступати в якості моделі макросвіту. Однак це далеко не межа. Надалі автори цієї роботи хочуть локалізувати відразу два електрона. Нехай вони побігають навколо ядра, як дві планети навколо Сонця ...

Читайте найцікавіше в рубриці " Наука і техніка "