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.
Ничего себе! 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».
Вы сказали вероятность? 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.
Получается, сфотографировать реальное состояние атома невозможно? Решение задачи существует и оно похоже на то, что мы делали выше на схеме. То есть фиксировали положение электрона вокруг ядра в различные моменты времени, а затем накладывали фотографии друг на друга. Получается, электрон как бы находится везде в электронном облаке, но в то же время его нет ни в какой определенной точке.
Конечно же, не существует такого фотоаппарата, который мог бы сфотографировать структуру атома в определенный момент времени, поэтому ученым и центра исследований элементарных частиц, пришлось действовать другими методами.
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.