Больше ста лет назад британский физик Эрнест Резенфорд провел ряд экспериментов, которые легли в основу нашего понимания строения атомов и радиоактивности. Открытие им атомного ядра (и первое искусственное превращение атомных ядер) привело к созданию новой концепции материи, согласно которой электроны, подобно планетам, движутся по орбитам вокруг атомного ядра, расположенного в центре. В 1911 году Резерфорд предположил, что ядро атома имеет положительный заряд, определяющий суммарное число электронов в атомной оболочке. В конечном итоге открытия Резерфорда, Нильса Бора, Ханса Гейгера и Петра Капицы показали, что атомное ядро действительно имеет положительный заряд, а окружающие его электроны (точнее, электронные облака) – отрицательный. Примечательно, что открытия выдающихся физиков были сделаны без непосредственного наблюдения атомов, но сегодня все изменилось – недавно исследователи из Брукхейвенской национальной лаборатории сообщили, что им удалось получить изображение ядра атома в электрическом поле. Впервые в истории.

.В январе 2023 года ученные составили детальную карту расположения элементарных частиц в ядре атомного ядра.

Первое изображение атома

Атомы настолько малы, что увидеть их невооруженным глазом, даже с помощью самого мощного микроскопа, невозможно. По крайней мере так было до 2009 года, пока физики не сфотографировали атом и окружающие его электроны. На снимках, опубликованных в журнале Physical Review B, показаны подробные изображения электронного облака одиночного атома углерода.

Отметим, что это первый случай, когда ученым удалось непосредственно наблюдать внутреннюю структуру атома. До этого, начиная с 1980-х годов, физики отображали атомную структуру материала с помощью математики и методов визуализации.

Первый снимок атома углерода сделан учеными из Харьковского физико-технического института в Харькове, Украина в 2009 году. Полученные ими изображения электронов одного атома подтверждают принципы квантовой механики. На изображениb можно увидеть углеродную цепочку атомов.

Часть проблемы заключалась в том, что согласно принципам квантовой механики электрон не существует как отдельная точка, которую можно увидеть – он распространяется вокруг ядра в облаке под названием орбиталь. Нежно-голубые сферы и расщепленные облака на изображении показывают два расположения электронов на орбиталях в атоме углерода. Эти структуры подтверждают ранние выводы ученых, так как соответствуют установленным принципам квантовой механики.

Метод электронной птихографии

Следующим шагом на пути к наблюдению атомной структуры стало изобретение ученых из Корнельского университета, которым удалось построить мощный детектор и установить мировой рекорд, утроив разрешение современного электронного микроскопа. Работа опубликована в научном журнале Science.

Этот инструмент представляет собой детектор пиксельной матрицы электронного микроскопа (EMPAD) со встроенными алгоритмами 3D-реконструкции, который смог уловить тепловое колебание атомов и получить их новое изображение в трех измерениях. До 2021 года все прошлые попытки представить и изучить отдельные атомы сводились к размытым изображениям.

Перед вами электронная птихографическая реконструкция кристалла ортоскандата празеодима (PrScO3), увеличенная в 100 миллионов раз.

Полученное в результате работы изображение стало возможным благодаря методу под название электронная птихография (ptychography) – сканирующая техника получения изображений объектов, крайне малых размеров, таких как электроны и рентгеновское излучение.

Изображение ядра внутри атома

Итак, вот мы и подобрались к последнему по-настоящему поразительному открытию. На этот раз инструментом физиков стал не электронный микроскоп а релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC), в основе работы которого лежит принцип квантовой запутанности.

Напомним, что квантовой запутанностью называется связь двух (и более) частиц, свойства которых остаются одинаковыми вне зависимости от того, как далеко эти частицы находятся друг от друга. Альберт Эйнштейн, кстати, называл запутанность «сверхъестественной».

RHIC (The Relativistic Heavy Ion Collider) — релятивистский коллайдер тяжелых ионов, расположенный в Брукхейвенской национальной лаборатории США.

Релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC) – ускоритель частиц, предназначенный для изучения столкновений между тяжелыми ионами (золота, медь, уран и др.) на релятивистских скоростях. Как объясняют авторы изображения, принцип работы коллайдера напоминает метод позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), которая позволяет увидеть что происходит внутри мозга и других органов.

Благодаря новому методу, физики смогли получить представление о внутреннем строении атомов, а также стать свидетелями нового типа квантовой запутанности. Исследование этого эффекта считается одним из самых перспективных в современной физике – в ходе эксперимента ученые наблюдали за фотонами и ионами золота в момент их ускорения вокруг коллайдера RHIC и в результате заглянули внутрь атомных ядер.

Как увидеть атом?

Атомное ядро состоит из нейтронов и протонов, в составе которых находятся кварки и связывающие их глюоны. Благодаря серии квантовых флуктуаций в ходе эксперимента, фотоны вступили в взаимодействие с глюонами, образовав промежуточную частицу («ро»), немедленный распад которой образовал два так называемых «пиона» – π+ и π-. Полученная информация позволяет с детальной точностью отобразить расположение глюонов в ядре атома.

Перед вами интригующее изображение атома, наиболее приближенное к тому, как они на самом деле выглядят.

Тем не менее увидеть атом и его ядро собственными глазами невозможно. Новое изображение, опубликованное в начале 2023 года, сделано с большой выдержкой, но даже мощнейшие научные инструменты с трудом способны уловить элементарные частицы, так как они невероятно малы.

Но вот что особенно важно – и новое изображение структуры атомных ядер и предыдущие изображения, полученные в 2009 и 2021 годах, соответствуют теоретическим предсказаниям и фундаментальным принципам квантовой механики. К тому же это первое в истории экспериментальное наблюдение квантовой запутанности (и ее новой формы) между разнородными частицами.

Тем не менее субатомный мир остается загадкой для ученых, которые пытаются выяснить как формируется наша реальность. Задача непростая, согласитесь.

Все вокруг, включая нас самих состоит из крошечных, невидимых частиц, постоянно взаимодействующих между собой

К счастью, будущие эксперименты на RHIC (а также других коллайдерах и еще более мощных инструментах), позволят физикам не только детально изучить распределение глюонов внутри атомных ядер, но лучше понять сложно и таинственное устройство Вселенной. Больше о том, могут ли частицы появляться из ничего мы рассказывали в этой статье, рекомендуем к прочтению.