Атом водорода является простейшим из всех существующих: он состоит всего
из одного протона и электрона, вращающегося вокруг него (иллюстрация Белых Владислава/Wikimedia Commons).
Волновая функция работает почти так же,
как и звуковая волна. Различие лишь в том, что математическое описание
звуковой волны определяет движение молекул в воздухе в определённом
месте, а волновая функция описывает вероятность появления частицы в том
или ином месте по уравнению Шрёдингера.
Измерить волновую функцию также непросто (прямые наблюдения приводят к её коллапсу), но физики-теоретики могут примерно предсказать её значения.
Экспериментально измерить все параметры
волновой функции можно только в том случае, если собрать её из отдельных
разрушающих измерений, проведённых на полностью идентичных системах
атомов или молекул.
Физики из голландского исследовательского института AMOLF представили новый метод, не требующий никаких "перестроек", и опубликовали результаты своей работы
в журнале Physical Review Letters. Их методика построена на гипотезе
1981 года трёх советских физиков-теоретиков, а также на более поздних
исследованиях.
В ходе эксперимента команда учёных
направила два лазерных луча на атомы водорода, помещённые в специальную
камеру. В результате такого воздействия электроны покинули свои орбиты с
той скоростью и в том направлении, которые определялись их волновыми
функциями. Сильное электрическое поле в камере, где находились атомы
водорода, направило электроны на определённые части планарного
(плоского) детектора.
Положение электронов, попадающих на
детектор, определялось их начальной скоростью, а не позицией в камере.
Таким образом, распределение электронов на детекторе рассказало учёным о
волновой функции этих частиц, которая была у них, когда они покинули
орбиту у ядра атома водорода.
Движения электронов отображались на
фосфоресцентном экране в виде тёмных и светлых колец, которые учёные
сфотографировали цифровой камерой с высоким разрешением.
"Мы очень довольны нашими результатами.
Квантовая механика так мало имеет дело с повседневной жизнью людей, что
вряд ли кто-то мог подумать о получении реального фотоснимка квантовых
взаимодействий в атоме", — говорит ведущий автор исследования Анета
Стодолна (Aneta Stodolna).
Также она утверждает, что разработанная методика может иметь и
практическое применение, к примеру, для создания проводников толщиной в
атом, развития технологии молекулярных проводов, что значительно
усовершенствует современные электронные приборы.
"Примечательно, что эксперимент был
проведён именно на водороде — одновременно простейшем и самом
распространённом веществе в нашей Вселенной. Нужно будет понять, можно
ли применить эту методику для более сложных атомов. Если да, то это
большой прорыв, который позволит развить не только электронику, но и
нанотехнологии", — говорит Джеф Ландин (Jeff Lundeen) из университета Оттавы, который не принимал участия в исследовании.
Впрочем, сами учёные, проводившие
эксперимент, не задумываются о практической стороне вопроса. Они
считают, что их открытие в первую очередь относится к фундаментальной
науке, которая поможет передать больше знаний будущим поколениям
физиков.
Также по теме:
Физики впервые сфотографировали тень атома
Учёным удалось сфотографировать электрон
Физики разделили электрон на орбитон и спинон
Учёные впервые различили химические связи внутри молекулы
Физики впервые увидели танцы электронов в молекуле
Учёные подтвердили, что размер протона меньше, чем считалось раньше
|