|
Физикам из Харьковского физико-технологического института удалось получить изображения электронных облаков в атоме углерода, причем не методами расчетов, а путем непосредственного наблюдения. В будущем разработанный учеными способ может пригодиться для создания сверхмалых устройств.
Метод, реализованный группой под руководством Игоря Михайловского, состоит в том, что изображение формируется с помощью электронов, которые отрываются от висящего на конце тончайшего стержня атома углерода. Электроны падают на флуоресцирующий экран, заставляют его светиться – и в итоге на нем вырисовывается изображение тех электронных оболочек, которые рисуют в учебниках химии.
Через тернии к атомам
Конечно, полученное изображение – это не фотография. Более того, получить фотографию отдельных атомов в принципе невозможно, так как видимый свет в принципе не позволяет разглядеть что-либо меньше 100 нанометров. Атом имеет размеры около 0,1 нм (нанометров), и «увидеть» его можно с применением совершенно иных методов.
Один из таких методов – электронная микроскопия. Ее суть в том, что вместо света используется поток электронов, который падает на исследуемый объект и либо проходит сквозь него, либо отражается в стороны. Прошедшие или отраженные электроны попадают на экран, который светится под их ударами – и на нем проявляется картинка, сам принцип звучит довольно просто.
Однако на практике сразу возникает множество вопросов. Ведь если от бактерии размером в один микрометр отразится «струя» электронов такой же толщины, то проку от этого мало – на экране получится пятнышко диаметром с изучаемый объект. Чтобы картинка была большой, поток электронов надо «растащить» в стороны – вместо узкого пучка должен быть расходящийся, подобно конусу света от кинопроектора.
Но и этого мало. Если в расходящийся пучок света от лампы поставить прозрачный слайд – то красивой картинки на экране без линз не получится. Для того чтобы сфокусировать пучок света, используются обычные линзы, но для электронов они непригодны. Следовательно, их движением надо управлять как-то иначе: и для этого используются мощные магниты, отклоняющие частицы в нужную сторону. Электронный микроскоп, таким образом, содержит источник электронов (аналог лампы в кинопроекторе), магниты (заменяющие линзы) и экран, на котором проявляется изображение.
Снова трудности
Сделать первые электронные микроскопы ученым удалось еще в 1930-х годах. После войны они совершили переворот в биологии и науках о материалах: биологи смогли открыть вирусы, а материаловеды рассмотрели структуру веществ с невиданным досель увеличением. Но вот отдельные атомы долгое время оставались недостижимым идеалом.
Был создан так называемый атомный силовой и сканирующий туннельный микроскопы. Они использовали тончайшие иглы, которыми «ощупывали» поверхность, – таким прибором недавно получили изображение отдельной молекулы в деталях, а еще раньше иглой микроскопов научились даже складывать фигуры из атомов. А получить картинку из школьного учебника химии все равно не удавалось.
Чтобы все-таки получить ее, украинские физики заморозили исследуемый образец до -269 градусов Цельсия, всего 4 градуса выше абсолютного нуля. Эта заморозка уменьшила колебания атомов: дергающийся из стороны в сторону объект сложно как фотографировать, так и получать его изображение иным способом. Потом к цепочке из всего 10 атомов углерода приложили напряжение в 450 вольт – и добились того, что с последнего атома в цепочке стали срываться и лететь на экран (мимо специальных магнитов, конечно) электроны.
Квантовое безумие
После того как к атомам углерода подвели напряжение, начинается самое сложное: дело в том, что получить изображение одного электрона невозможно. Электрон падает в какую-то точку экрана, там вспыхивает точка… и все. Второй электрон тоже падает где-то неподалеку, и там появляется вторая точка. Потом третья. Каждый электрон, прилетевший от атома углерода, оставляет одно пятнышко – как же получается сложная картинка?
И здесь вступает в дело квантовая механика. Картинки, которые публикуют в курсе химии, отображают не просто электрон – они показывают электронное облако, область, в которой вероятность этот электрон найти достаточно велика. И фразы о том, что «электрон вращается вокруг ядра» вообще-то неверны: на самом деле он просто может быть обнаружен как справа от ядра, так и слева, как снизу, так и сверху. Но при этом другие эксперименты свидетельствуют: никакого вращения там нет.
Изображения электронных облаков атома углерода. В правом можно узнать "гантель", которая украшает учебники химии - теперь ее изображение получено экспериментальным путем, при помощи электронного микроскопа.
Электрон, как и любой квантовый объект, может проявиться в момент наблюдения не в какой-то строго заданной точке, а в некоторой области – причем вплоть до момента его взаимодействия с чем-то сказать то, где он окажется, нельзя в принципе. Где электрон из углеродного атома будет «выдран» электрическим полем и отправлен в сторону экрана – сказать нельзя… но можно дать некоторое приблизительное предсказание. Электронное облако, которое показано на картинке, как раз описывает то, откуда электрон может прилететь чаще. И если на экран летит несколько тысяч электронов, то они рисуют пятно, повторяющее по форме это облако.
Зачем такие хлопоты
Конечно же, не ради демонстрации картинки из школьных учебников потребовалось строить сложную и дорогую установку, хотя Игорь Михайловский и не отрицает ценность получения реальных картинок там, где были лишь расчеты.
Созданный учеными из Харькова метод со временем может позволить получать картину сложных молекул или систем из многих атомов, для которых форма электронных облаков уже вовсе не столь легко рассчитывается математически. Это, в свою очередь, может помочь узнать больше о свойствах веществ, о том, как они взаимодействуют друг с другом и как собирать из них сложные устройства с рекордно малыми габаритами.
|
