как ученым удалось сделать эту уникальную фотографию, история снимка
Атомы очень малы, они настолько малы, что человек разглядеть их не может, даже с помощью мощных микроскопов. Но, как это ни парадоксально, на этом фото атома (а не просто картинке) вы можете увидеть частицу невооруженным глазом. Сегодня мы расскажем вам о том, как было сделано реальное фото атома.
Это реальное фото атома под электронным микроскопом сделано Дэвидом Нэдлингером и называется «Одиночный атом в ионной ловушке». Несколько лет назад оно одержало победу в конкурсе на лучшую научную фотографию, проводимую Исследовательским советом инженерных и физических наук Великобритании. На фото изображен одиночный атом стронция в мощном электрическом поле. На него направлены лазеры, из-за чего атом испускает свет.
Что мы видим на снимке
Пусть частица и видна, рассмотреть как выглядит атом на фото все равно непросто. Если вы пристально вглядитесь в центр фотографии, то заметите слабо светящуюся голубую точку.
Это и есть атом стронция, подсвеченный сине-фиолетовым лазером.
Стронций в эксперименте использовали из-за размера: у стронция 38 протонов, и диаметр его атома — несколько миллионных долей миллиметра. Обычно столь мелкий объект мы бы не разглядели, но ученые использовали трюк, чтобы сделать атом ярче. Благодаря этому и получилось красивое фото атома.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Как сделали снимок
На фото атом под электронным микроскопом освещен высокомощным лазером, из-за которого электроны, кружащиеся по орбите вокруг атома стронция, получают больше энергии и начинают испускать свет. Как только заряженные электроны дали достаточное количество света, самая обыкновенная камера смогла сделать настоящее фото атома.
Правда, если бы вы лично стояли рядом с этой установкой, то ничего бы не увидели. Снимок сделан с помощью длинной выдержки, так как что без оборудования весь этот свет все равно не заметить.
К сожалению, другого способа увидеть реальный одиночный атом невооруженным глазом у человека просто нет. Пока нет. Надеемся, что вскоре научный мир вновь порадует нас новыми фото атомов.
Чем снимок интересен для науки
В настоящее время ионные ловушки повсеместно распространены. Множество из них базируется на взаимодействии заряженных частиц с электромагнитным полем высокой частоты. Британский учёный для своего фото атома под микроскопом использовал квадрупольную ионную ловушку, второе название которой ловушка Пауля. Ловушки для ионов широко применяются для масс-спектрометрии — метода исследования вещества при котором определяется концентрация компонентов в нем — молекулярные массу, состав и формулу. Ионные ловушки применяются, помимо прочего, на химических производствах для фильтрации воздуха.
Фотография структуры атома водорода: квантовый микроскоп
Фотография орбитальной структуры атома водорода
На данной фотографии вы смотрите на первое прямое изображение орбит электрона вокруг атома — фактически волновую функцию атома!
Для получения фотографии орбитальной структуры атома водорода, исследователи использовали новейший квантовой микроскоп — невероятное устройство, которое позволяет ученым заглянуть в область квантовой физики.
Орбитальная структура пространства в атоме занята электроном. Но при описании этих микроскопических свойств материи, ученые полагаются на волновые функции — математические способы описания квантовых состояний частиц, а именно того, как они ведут себя в пространстве и во времени.
Как правило, в квантовой физике используют формулы типа уравнения Шредингера для описания состояний частиц.
Препятствия на пути исследователей
До сегодняшнего момента, ученые фактически никогда не наблюдали волновую функцию. Попытка уловить точное положение или импульс одинокого электрона было сродни попытке поймать рой мух. Прямые наблюдения искажались весьма неприятным явлением — квантовой когерентностью.
Чтобы измерить все квантовые состояния нужен инструмент, который может проводить множество измерений состояний частицы с течением времени.
Но как увеличить и так микроскопическое состояние квантовой частицы? Ответ нашла группа международных исследователей.
С помощью квантового микроскопа — устройства, которое использует фотоионизацию для прямых наблюдений атомных структур.
В своей статье в популярном журнале Physical Review Letters, Aneta Stodolna работающая в институте молекулярной физики (AMOLF) в Нидерландах рассказывает, как она и ее команда получили структуры узловых электронных орбиталей атома водорода помещенных в статическом электрическом поле.
Траектория движения электронов
Методика работы
После облучения лазерными импульсами, ионизированные электроны покидали свои орбиты и по измеренной траектории попадали в 2D детектор (двойная микроканальная пластина [MCP]. Детектор расположен перпендикулярно к самому полю). Существует множество траекторий, по которым могут перемещаться электронов до столкновения с детектором. Это обеспечивает исследователей набором интерференционных картин, — моделей которые отражают узловую структуру волновой функции.
Исследователи использовали электростатическую линзу, которая увеличивает исходящую волну электронов более чем в 20000 раз.
Примеры четырех состояний атома водорода. В среднем столбце приведены экспериментальные измерения, в то время как колонка справа показывает время-зависимое вычисление уравнений Шредингера — и они совпадают
Забегая вперед, скажем что ученые планируют использовать ту же технологию, чтобы посмотреть, как ведут себя атомы в магнитном поле.
Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!
Просмотров записи: 19258
Запись опубликована: 25.05.2013
Автор: Максим Заболоцкий
Фотография одиночного атома получила главный приз в конкурсе научной фотографии — Colossal
Реклама на Colossal с рекламой Nectar.
Основные моменты ниже. Для полной коллекции нажмите здесь.
См.
остальные коллекции
››
Удивительный Фотография Наука
#атомы #макрос
Изображение © Дэвид Надлингер / Оксфордский университет
Для этого вам могут понадобиться очки.
Квантовому физику Дэвиду Надлингеру из Оксфордского университета удалось сделать снимок, который был бы невозможен еще несколько лет назад: одиночный атом, подвешенный в электрическом поле, видимый невооруженным глазом. Удивительный снимок под названием «Один атом в ионной ловушке» недавно получил главный приз в конкурсе научных фотографий и изображений Британского совета по инженерным и физическим наукам (EPSRC). Вы можете видеть атом на снимке выше, маленькое пятнышко в самом центре.
Для ясности: на фото запечатлен не только атом, но и свет, излучаемый им в возбужденном состоянии. Из EPSRC:
«Одиночный атом в ионной ловушке» Дэвида Надлингера из Оксфордского университета показывает атом, удерживаемый полями, исходящими от окружающих его металлических электродов. Расстояние между кончиками маленьких игл составляет около двух миллиметров.
При освещении лазером правильного сине-фиолетового цвета атом поглощает и переизлучает световые частицы достаточно быстро, чтобы обычная камера могла запечатлеть его на фотографии с длинной выдержкой.
Фотография-победитель была сделана через окно камеры сверхвысокого вакуума, в которой находится ионная ловушка.Охлаждаемые лазером атомные ионы представляют собой идеальную платформу для изучения и использования уникальных свойств квантовой физики. Они могут служить чрезвычайно точными часами и датчиками или, как исследуется Центром сетевых квантовых информационных технологий Великобритании, строительными блоками для будущих квантовых компьютеров, которые могут решить проблемы, которые ставят в тупик даже самые большие современные суперкомпьютеры.
«Идея увидеть один атом невооруженным глазом показалась мне удивительно прямым и интуитивным мостом между крохотным квантовым миром и нашей макроскопической реальностью», — поделился Надлингер. «Подсчеты на обратной стороне конверта показали, что цифры на моей стороне, и когда я отправился в лабораторию с камерой и штативами одним тихим воскресным днем, я был вознагражден этим конкретным изображением маленькой бледно-голубой точки.
Вы можете следить за другими его открытиями — большими и маленькими — в Твиттере. (через PetaPixel)
#атомы #макрос
Вам важны такие истории и художники? Станьте членом Colossal сегодня и поддержите независимое издательство искусства всего за 5 долларов в месяц. Вы свяжетесь с сообществом читателей-единомышленников, увлеченных современным искусством, будете читать статьи и информационные бюллетени без рекламы, будете поддерживать нашу серию интервью, получите скидки и ранний доступ к нашим печатным изданиям, выпущенным ограниченным тиражом, и многое другое. Присоединяйся сейчас!
Поделитесь этой историей
Как студент сфотографировал один атом с помощью купленной в магазине камеры
Когда вы совершаете покупку по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать комиссионные.
Вот как это работает.
Присмотритесь, и вы увидите это: бледный фиолетовый пиксель, висящий в черном поле между двумя цилиндрическими иглами. машина с ионной ловушкой в Оксфордском университете.
Это мало. Очень маленький. Размер каждого атома составляет примерно 0,25 нанометра (или миллиардных долей метра); миллиарды атомов удобно поместились бы внутри одной эритроцита.
«Я думаю, что эта фотография особенно интересна людям тем, что вы можете видеть окружающие ее устройства», — сказал Надлингер в интервью Live Science. «И я думаю, что люди также удивлены тем, насколько большим здесь выглядит атом… Я надеюсь, что этой фотографией я не отменяю 100 лет научного образования — атомы на самом деле невероятно малы!»
Для ясности, сказал Надлингер, пурпурное пятнышко в центре этой фотографии не соответствует реальному размеру самого атома стронция; это свет от множества окружающих лазеров, переизлучаемых атомом. Когда стронций купается в синем свете определенной длины волны, он создает свечение, в сотни раз превышающее радиус самого атома (который составляет около четверти нанометра или 2,5×10 на -7 метров, сказал Надлингер). Это свечение было бы едва заметно невооруженным глазом, но становится очевидным при небольшом манипулировании камерой. Посмотрите внимательно: эта фиолетовая точка — это свет, испускаемый одним атомом стронция.
(Изображение предоставлено Дэвидом Надлинджером/Оксфордский университет)«Видимый размер, который вы видите на картинке, — это то, что мы называем оптической аберрацией», — сказал Надлингер. «Объектив, через который мы его видим, не идеален — он также немного не в фокусе и слегка переэкспонирован. Это можно сравнить со взглядом на звезды в ночном небе, которые кажутся яркими, но на самом деле намного меньше, чем они кажутся такими только потому, что нашим глазам (или камере) не хватает разрешения, чтобы их обработать».
Итак, увидеть один атом невооруженным глазом невозможно. Однако ловушка в лаборатории немного более выполнима.
Чтобы сделать отдельный атом пригодным для камеры, исследователям сначала нужно превратить его в ион: атом с неравным количеством протонов и электронов, что придает ему положительный или отрицательный суммарный заряд. «Мы можем улавливать только заряженные частицы», — сказал Надлингер. «Итак, мы берем поток нейтральных атомов стронция, которые исходят из печи, и направляем на них лазеры, чтобы избирательно их фотоионизировать.
Таким образом, мы можем создавать отдельные ионы».
При помещении в устройство с ионной ловушкой отдельные атомы удерживаются на месте четырьмя электродами в форме лезвий, подобными тем, что видны над и под стронциевым пятнышком на фотографии Надлингера (два дополнительных электрода не видны). Эти электроды создают ток, удерживающий атом на вертикальной оси; два игольчатых цилиндра по обе стороны от атома удерживают его в горизонтальном положении.
Когда токи от этих электродов взаимодействуют, они создают так называемый вращающийся седловой потенциал. «В Интернете можно увидеть видеоролики, где люди буквально берут седло, поворачивают его и кладут на него шарик; из-за вращения шарик фактически остается в центре седла. Вот что делают эти электроды, чтобы удерживать ион». — сказал Надлингер.
Как только атом оказывается запертым, в него попадает множество лазеров, которые рассеивают свет во всех направлениях; на фотографии Надлингера вы можете увидеть следы синего лазера по всему фону.
Используя эту систему, исследователи потенциально могут улавливать цепочки из сотен ионов между маленькими электродами, что приводит к потрясающим изображениям.
«На нашем веб-сайте есть изображение девяти ионов, пойманных в цепочку», — сказал Надлингер. «С точки зрения науки это на самом деле интереснее, чем один яркий пиксель, окруженный ионной ловушкой. Но для иллюстрации концепции это может быть более привлекательным».
Надлингер не считает, что он первый исследователь, сделавший такое фото, но, возможно, ему больше всего удалось привлечь внимание публики.
«Группа под руководством Ганса Демелта, пионера в области улавливания ионов и лауреата Нобелевской премии [в 1989 году], однажды сфотографировала один атом бария в своей лаборатории», — сказал Надлингер. «Это было одиночное яркое пятнышко на темном фоне, не считая некоторого рассеяния лазером. Есть история, что они отправили это изображение на какую-то конференцию — и редактор изображения просто удалил ион, потому что он подумал, что это пылинка.