Атом...Как много в этом слове всего интересного и непонятного. Мы уже знаем, что эта частица участвует практически во всех физических процессах, которые окружают нас каждую секунду. Коррозия металла? Фотографирование? Электрический ток? - практически любое известное явление подразумевает знания об атоме и его специфике.
Но чем является сам атом? Этот вопрос очень интересный. На него есть много ответов даже в контексте общепринятой физики. Мы точно знаем, что это частица, из которой состоит вещество и которая является этаким строительным блоком. Как из кирпичиков из неё формируются молекулы и материалы. Она сама составная и содержит внутри субатомные частицы, а представления о существовании как такового атома существуют уже очень долгое время.
Стандартная модель
Давайте рассмотрим устройство атома, отталкиваясь от классической парадигмы с стандартной модели физики. Да, она будет содержать не всю известную информацию и не станет исчерпывающей (ведь есть интересные идеи относительно того, что любая частица есть информация и т.п.), но знаний в ней достаточно для простого человека, который только начинает познавать физику или просто хочет повысить уровень грамотности.
Начнём, пожалуй, вот с это замечательной картинки:
На схеме детально разложено то, как материя превращается в атом и указаны общепринятые структурные составляющие самого атома.
Берём любой материал и смотрим на его структуру. Она состоит из молекул или атомов в зависимости от типа связи, которая есть в данном случае. Например, металлы преимущественно имеют кристаллическое строение и не имеют молекул в своем составе. Зато молекула есть у воды.
Важный тезис: правильно сказать, что вещество состоит из атомов, вне зависимости от наличия молекулярного строения. Сами молекулы состоят из атомов.
Теперь посмотрим на материал в электронный микроскоп и увидим набор шариков и какие-то серые тени. Про это я уже рассказывал подробно здесь, а сейчас выделим самое главное - мы видим группу атомов, которые и являются строительными блоками этого вещества.
Вещество состоит из атомов
Вот так, например, выглядит наночастица Золота в электронном микроскопе.
Полагаю, что дискуссия относительно факта существования атома и его обычного вида тут не нужна, хотя и интересна в теоретическом смысле. Впрочем, именно что "фотографии" на этом кончаются и скоро вы поймёте почему это так. Да и этот снимок фотографией не является - это невозможно из-за дифракционного предела Абе.
Возьмём один из этих шариков. Что это вообще такое?
Из контекста очевидно, что так должен выглядеть сам атом. Это строительный блок для материи, а его свойства как материальной единицы очень интересны. Например, у атома нет чёткой границы и конкретной формы, а факт того, что мы видим шарики связан со спецификой работы методов фиксации. Это внешняя граница из электронов, которые располагаются в наиболее вероятных точках их существования и постоянно перемещаются. В момент выполнения снимка оказывается, что система интерпретирует их как шары.
Сам атом как он есть
Дальше для описания устройства атома мы используем данные, которые получены в результате симбиоза физической теории и косвенных измерений системы. Полезно ориентироваться на модель атома Резерфорда. Она же подскажет нам, как строятся представления об атоме.
Важный тезис: Внутреннее строение атома невозможно увидеть, мы строим модели по результатам косвенных измерений, и подтверждаем гипотезы и теории.
Резерфорд понял, что атом имеет такую модель, на основе результатов своих экспериментов по рассеянию альфа-частиц на тонкой металлической фольге. Он обнаружил, что большинство альфа-частиц напрямую проходили сквозь фольгу, но некоторые отскакивали. Резерфорд предположил, что в районе той небольшой области, от которой они отскакивали, находится положительно заряженное ядро. Но это ядро должно быть как-то уравновешено, а значит есть ещё и электроны с отрицательным зарядом вокруг него. Сами же положительные протоны должны быть как-то склеены друг с другом и было предположено, что помогают в этом нейтральные нейтроны. Получилась вот такая великолепная картинка, которую вы много раз видели и, скорее всего, считаете правильной.
На плоскости такая картинка выглядит более понятной. Вот она модель Резерфорда. На ней видно и положительно заряженные протоны, и нейтральные нейтроны, и кружащие электроны.
И именно на постоянно вращающихся электронах физика поперхнулась. Модель казалась вполне неплохой, но у подхода Резерфорда был ряд противоречий.
Самое очевидное из них - если планетарная модель атома такая классная и электроны вращаются вокруг ядра, как Земля вокруг Солнца, то атом не должен испускать энергию. Однако, это наблюдалось при переходе из состояния в состояние. Например, при переходе в менее возбужденное состояние, атом испускал энергию.
Это значит, что энергия электронов в итоге иссякнет и... эта частица должна падать на ядро. Ведь в случае сравнения с планетой, та не испускает энергию в прямом смысле этого слова. Получается, что модель не полная.
Физике потребовалось довольно много времени, чтобы ответить на все появившиеся вопросы. Мы пропустим тут множество исследований и гипотез. Отметим лишь, что были постулаты Бора и что всё переросло в модель атома Шрёдингера. Итоговая и наиболее современная модель подразумевает, что у атома планетарное строение, но электроны ведут себя иначе. Впрочем, как и все субатомные частицы.
Квантовая физика нещадно дополнила классическую механику в атоме своими странным принципами типа неопределённости Гейзенберга или суперпозиции. Тут можно написать сотню статей, но наша цель - посмотреть на картинки. А потому отметим лишь, что новая модель атома подразумевает, что все частицы имеют наиболее вероятное расположение. Это значит, что нет никаких движений, напоминающих солнечную систему. Область существования электрона - это области наибольше вероятности. А потому картинка должна выглядеть так.
Полагаю, что это не окончательная модель. Ведь, по сути дела, мы взяли принципы классической физики для описания, например, реакционной способности атома, но при этом заменили механику подходом вероятности. Похоже, что это нечто промежуточное. И да, не устану повторять, что я не называю эту модель неправильной. Она работает и это проверено. Вопрос в визуализации.
Важный тезис: Сам атом и субатомные частицы - это сущности квантовой физики с вероятностным характером поведения
Ну и самый современный снимок атома выглядит очень странно страшно. Это модель, в которой отображены все частицы в их квантовом торжестве.
Изображение в действительности являются данными, полученными с детектора, а не прямой визуализацией атомного ядра. Визуально различимые круги и многогранники отображают работу измерительного прибора, а цветные линии обозначают траектории детектируемых частиц – побочных продуктов столкновения ядра с разогнанными ионами. Сам процесс взаимодействия поражает своей сложностью. Разогнанный ион генерирует “облако” рентгеновских фотонов, которое, в свою очередь, вступает во взаимодействие с глюонами – частицами, ответственными за удержание нуклонов в ядре. Результатом этого взаимодействия становится рождение пар частица-античастица. Для точной оценки размеров и формы ядра использовалась двумерная развертка, что позволило избежать завышенных значений, ранее получаемых при использовании одномерного подхода. Так или иначе, это одна из самых красивых современных визуализаций.
Лептоны и электроны
Из принятой модели очевидно, что у атома есть электроны, протоны и нейтроны. Как бы нам взглянуть на них? Тут у нас тоже есть моделька. Для начала отметим, что согласно всё той же стандартной модели есть лептоны, а есть адроны. Лептоны согласно стандартной модели не из чего не состоят и работают как фундаментальные. Опять-таки, не будем выходить тут за рамки модели и говорить, что лептоны тоже, вроде как, делятся дальше и это тоже уже вполне научно.
Для нас электрон - это лептон. Его визуализируют разными образами. В рамках стандартной модели это обычный шарик, хотя любой шарик есть ошибка. На практике это должно быть нечто типа волны или её фрагмента. Поэтому, полагаю, что уместно тут привести визуализацию электрона как раз из тех статей, которые не считают его лептоном.
В 2009 году ученые из Харьковского физико-технического института совершили получили изображение атома углерода. Но интереснее рассмотреть этот снимок в контексте вида электрона.
Сложность проблемы вам уже понятна заключалась в природе электрона, который, согласно квантовой теории, не является фиксированной точкой, а существует в виде облака вероятностей, окружающего ядро - так называемой орбитали. На полученных изображениях видны голубые сферы и раздвоенные облака, демонстрирующие два различных расположения электронов на орбиталях атома углерода. Эти структуры не только визуализируют абстрактные концепции квантовой механики, но и служат убедительным доказательством ее справедливости, полностью согласуясь с ранее установленными теоретическими моделями.
Теперь поговорим про протоны и нейтроны. С ними всё сложнее. Согласно модели они составные. Не будем тут рассматривать абсолютно весь "зоопарк частиц" стандартной модели, их там сотни. Но важные для нас заберём.
Протоны и нейтроны
По этой логике нейтроны и протоны состоят из кварков. Кварки связаны глюонами. Давайте опустим интересные вопросы из серии: а как об этом узнали. У нас сейчас другая цель. Отмечу лишь, что тут уже работает скорее математика, нежели физика.
У нас есть интересная картина образования протона в камере Вильсона. Это тот самый всплеск или яркая вспышка со следом, который отходит от одного из лучей.
Кварки и глюоны
Кварки - это элементарные частицы, составляющие все адроны: барионы и мезоны. Нас с вами интересуют барионы. Ну а слово "элементарные", говорит что кварки не делятся и становятся основой материи в стандартном понимании. Но сами кварки невероятно хитрые и сложные. Увидеть мы их не сможем, но можем рассматривать разные визуализации.
С кварками вообще всё очень сложно. Они имеют цвета и ароматы.
Цвет кварка - это условное название для определённой физической характеристики этих частиц. Каждый кварк может быть носителем одного из трёх основных цветов: красного, зелёного или синего. Он означает разновидность «заряда» сильного ядерного взаимодействия. Цвет не имеет отношения к обычному оптическому цвету в макромире.
Аромат кварка - это его особая физическая характеристика. Существует шесть видов кварков, различающихся ароматом: верхний (u — up), нижний (d — down), очаровательный (c — charm), странный (s — strange), истинный (t — truth или top) и прелестный (b — beauty или bottom). Аромат не имеет никакого отношения к аромату, понимаемому буквально. Это общее название ряда квантовых чисел, характеризующих тип кварка.
Ну и это нашло отражение на картинках строения нейтронов и протонов.
Тут всё подписано, но как-то оно не красиво. Поэтому, приятнее смотреть вот на такую модельку. Кварки тут будут точками нужного цвета.
Нужно отметить, что эта цветная схема не полная. Она сегодня будет считаться устаревшей. А современная версия должна включать глюоны, которые описывают взаимодействия между кварками.
На сцене тут у нас появляются глюоны. Они являются переносчиком сильного взаимодействия. Описывается глюон, как элементарная безмассовая частица, фундаментальный бозон и квант векторного поля. Как выглядит глюон никто не знает, но поскольку он описывается, как этакий клей, то на схемах показан как пружинка.
На самом деле вы должны чётко осознавать, что и на уровне кварков происходят постоянные движения, а все идеализированные статичные картинки, которые похожи на схемы - это лишь способ хоть как-то изобразить реальную, невероятно сложную, картину.
Квантовый суп
Имея эти знания, которые во много отталкиваются от математических моделей и находят подтверждения с помощью детекторов разного типа, мы можем сделать интересные выводы об устройстве материи и её формировании. Изначально была кварк-глюонная плазма, которую рисуют самыми разными способами. Иногда картинку ниже называют квантовой пеной.
Из этого нечто получились островки, которые стали восприниматься как нейтроны и протоны. На самом деле, реальная картина строения атома вряд ли бы сильно отличалась от этого постоянного бурления на анимашке.
Можно было бы написать тут целый трактат, в котором мы бы рассмотрели вопросы полей и превращение частицы в поле или наоборот. Всё это вполне научно и сильно расширяет знания. Но сейчас мы остановимся на рассмотрении той модели, которую вы увидели. Ещё больше интересного по теме вы увидите, если не забудете подписаться на канал, а заодно изучите то, что уже написано.
Видео по теме
Раньше я выкладывал ролики прямо на ДЗЕН, но дзен теперь не работает с видео, а потому видео по теме тут и оно очень интересное!
---
⚡ Обязательно подпишитесь на Telegram проекта и читайте эксклюзивные статьи! Обновления каждый день!