Берлин Адольф


Электрон в зеркале аттосекундной физики

 

Нобелевская премия по физике 2023 года

 

                                                                                                             

Нас привлекают взлёты и паденья

в развитии науки неизменно.

К глубинам микромира восхожденье

идёт, как погружение в геенну.

 

Познанье – бег за призрачною тенью;

тень мечется, маня и ускользая.

Путь к Истине нащупывает гений,

и люди постепенно прозревают.

                                                           


Наш век полон противоречий. С одной стороны, по-видимому, не оправдываются наши наивные ожидания безостановочного прогресса развития цивилизации. Легко перечислить многочисленные примеры возвратно-поступательного движения ряда государств между авторитаризмом и демократией. И даже возврат некоторых стран к феодализму (часть стран Африки, Северная Корея).

 

Авторитарные и тоталитарные системы ставят научно-технические достижения (телевидение, Интернет, социальные сети) на службу пропаганды, обеспечивая режимам устойчивость как диктатур обмана.

 

С другой стороны, нас поражают достижения естественных наук: математики, физики, химии, биологии, открывающих новые невиданные горизонты в колоссальном диапазоне от космических высот вселенной до глубин микромира.

 

Хотелось бы обратить внимание на достижения, за которые присуждена Нобелевская премия по физике в 2023 году. Её удостоились Пьер Агостини из Университета штата Огайо, Ференц Крауш из Института квантовой оптики имени Макса Планка и Анн Л'Юилье из Университета Пьера и Марии Кюри “за экспериментальные методы генерации аттосекундных световых импульсов для изучения движения электронов внутри атомов и молекул ”.

 

Но вначале – краткая историческая справка. Знакомые с предметом читатели могут пропустить её без ущерба для понимания дальнейшего изложения.

Казалось бы, что нового можно узнать обо всем известном со школьных времён атоме или электроне? Более двух тысячелетий продержались представления древнегреческого учёного Демокрита (VIV вв. до н. э.) о неделимом атоме как мельчайшей частице материи. И лишь в самом конце XIX века были получены доказательства сложного строения атома после открытия А. Г. Столетовым фотоэффекта (1889), А. Беккерелем и М. Склодовской-Кюри радиоактивности (1896–1899), Дж. Томсоном катодных лучей (1897) и определения природы α-частиц Э. Резерфордом (1899–1900).

Э. Резерфорд на основе своих экспериментов предложил в 1911 году планетарную модель строения атома, похожую на микроскопическую солнечную систему. В ней отрицательно заряженные электроны движутся по удалённым орбитам вокруг положительно заряженного ядра в центре, так что атомы электронейтральны. “Объём” атома определяется удалённостью электронов, а практически вся масса атома заключена в ядре, так что атом является фактически “пустым”. Именно поэтому тонкие плёнки металлов проницаемы для α-частиц.

Как, должно быть, было приятно осознавать, что всё, от космоса до микромира, устроено просто и одинаково.

Но в этой бочке мёда была своя ложка дёгтя. Дело в том, что согласно электродинамике, при движении электрона по орбите он должен излучать энергию и, теряя её, в конце концов "упасть" на ядро. Такой атом был бы обречён.

 

Признав неприменимость классической механики для описания микромира, Нильс Бор (рис. 1) ввёл для спасения планетарной модели атома постулаты. Согласно им электрон может двигаться лишь по так называемым стационарным орбитам вокруг ядра, не поглощая и не испуская энергию. Энергетические же переходы происходят только в момент перехода электрона с одной такой разрешённой орбиты на другую (рис. 2).


Рис.1. Нильс Бор. Фотография сделана в Принстонском университете, США в 1948 году (elementy.ru)

Рис.1. Нильс Бор. Фотография сделана в Принстонском университете, США в 1948 году (elementy.ru)


Рис.2. Модель атома водорода Бора-Резерфорда (ru.wikipedia.org)

Рис.2. Модель атома водорода Бора-Резерфорда (ru.wikipedia.org)
 

Однако Н. Бор не мог обосновать свои постулаты. Развитием этой модели являются представления квантовой механики, сформированные М. Планком, Н. Бором, Луи де Бройлем, В. Гейзенбергом, Э. Шрёдингером. Даже А.Эйнштейн отнёсся к ним скептически, заявляя, что не верит, будто Бог играет в кости.

 

В основе квантовой механики лежит принцип неопределённости Гейзенберга: чем точнее измеряется одна характеристика микрочастицы, тем менее точно можно измерить любую другую. Следовательно, для электрона нельзя одновременно точно измерить его положение в пространстве и скорость. Так что невозможно определить траекторию движения электрона в атоме. Это мир утраченных траекторий.

 

В начале XX века были также сформулированы представления о двойственной корпускулярно-волновой природе не только фотонов света, но и всех микрочастиц, в том числе электронов. Гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма выдвинул в 1923 году французский учёный Луи де Бройль. В некоторых процессах (дифракции и интерференции) электроны проявляют волновые свойства, а в некоторых – корпускулярные (так, электрон обладает зарядом 1.6 ∙ 10^-19 Кл и массой 9.1⋅10^-28 г, то есть в 1836 раз меньше массы протона). Поэтому электрон является квазичастицей, координаты которой относительно ядра атома установить невозможно, но можно определить вероятность его нахождения в определённой области этого пространства.

С учётом сказанного можно представить, что каждый электрон образует вокруг ядра микроскопическое электронное облако отрицательного заряда определённой формы и размера. Например, единственный электрон в атоме водорода образует облако сферической формы (рис. 3). Чем плотнее электронное облако в какой-то области пространства, тем выше вероятность нахождения там электрона. Такие электронные облака получили название “орбитали”.


Рис.3. s-Орбиталь электрона атома водорода (profil.adu.by)

Рис.3. s-Орбиталь электрона атома водорода (profil.adu.by)

 

В многоэлектронных атомах электроны могут иметь более сложную геометрию, обозначаемую латинскими буквами s, p, d, f … (рис. 4).  Наименованиями орбиталей выбраны первые буквы качественной характеристики их спектральных линий: sharp (острый), principal (главный), diffuse (расплывчатый) и fundamental (фундаментальный).



Рис.4. Формы электронных орбиталей (ru.wikipedia.org)

Рис.4. Формы электронных орбиталей (ru.wikipedia.org)

 

При сближении атомов они могут образовывать химические связи друг с другом за счёт перекрывания частей их электронных облаков, так как при этом повышается плотность отрицательного заряда между положительно заряженными ядрами атомов. В результате атомы могут образовывать молекулы с возникновением уже молекулярных орбиталей из перекрывшихся атомных орбиталей. Молекулярные орбитали имеют более сложную форму, охватывая всю молекулу с центрами в ядрах атомов, входящих в состав молекулы.

 

При объяснении строения электронных облаков я предлагал студентам представить себе мысленный эксперимент: фотографировать атом водорода фантастическим фотоаппаратом со вспышкой в различные моменты времени на одну и ту же фотоплёнку. После её проявления можно будет увидеть изображение, похожее на рис. 3.

 

Однако здесь не учитываются некоторые проблемы. Во-первых, вспышки и экспозиция должны быть настолько короткими, чтобы фотон столкнулся с электроном до того, как последний заметно сдвинулся с места. Во-вторых, согласно квантовой механике любое воздействие на микрочастицу (в данном случае фотона на электрон) изменяет её поведение. Так что приходится оперировать вероятностями тех или иных полученных экспериментальных данных и опираться на их математико-статистическую обработку, чтобы получить ценную информацию о поведении электронов в атомах, молекулах и других материальных объектах.

 

Аналогом такого фантастического фотоаппарата и явились открытие и исследование нобелиатов по физике 2023 года, раскрывших дверь в мир электронов. Они сумели создать способ генерации невообразимо коротких импульсов света аттосекундных лазеров, измеряемые в аттосекундах. Аттосекунда – это 10^-18 (или 0,000000000000000001) секунды. Чтобы представить себе, настолько она коротка, отметим, что в одной секунде столько же аттосекунд, сколько примерно секунд прошло с момента возникновения нашей Вселенной 13,799 ± 0,021 миллиарда лет назад.

Такие аттосекундные импульсы можно использовать для наблюдения за движением электронов в атомах, молекулах и других материалах в режиме реального времени, для получения изображений процессов внутри таких объектов.

Уже намечаются некоторые области практического применения аттосекундных импульсов, что не так часто бывает при таких пионерских научных работах. Уже сейчас аттосекундные лазеры можно применять при изучении химических и биологических процессов, в науке о материалах, где важную роль играет динамика электронов в разных ситуациях.

Аттосекундные лазеры позволили засечь кратковременное превращение изолятора в проводник, а потом обратный переход. Например, кремний, освещённый коротким лазерным импульсом, превращается из диэлектрика в проводник. После отключения импульса происходит возврат в исходное состояние. Это можно использовать, например, в ячейках памяти компьютеров для ускорения их работы.

С помощью аттосекундных вспышек света можно перемещать электрон в нужные места молекулы. Это можно применить в электронике, где важно понимать и контролировать поведение электронов в материале, чтобы, к примеру, значительно улучшить работу солнечных батарей. Это также можно использовать в медицинской диагностике – для идентификации различных молекул при диагностике заболеваний, например, рака лёгких.

 

В заключение хотел бы кратко осветить научную жизнь лауреатов.


Рис. 5. Нобелевские лауреаты по физике 2023 года — Пьер Агостини, Ференц Крауш и Энн Л'Юйе (gazeta.ru)

Рис. 5. Нобелевские лауреаты по физике 2023 года — Пьер Агостини, Ференц Крауш и Энн Л'Юйе (gazeta.ru)

 

Ladies first. Анн Л’Юилье — франко-шведский физик, профессор атомной физики Лундского университета в Швеции. Член Шведской королевской академии наук с 2004 года. Возглавляет группу аттосекундной физики. Она стала пятой женщиной, получившей Нобелевскую премию по физике после Марии Склодовской-Кюри (1903), Марии Гепперт-Майер (1963), Донны Стрикленд (2018) и Андреа Миа Гез (2020).

 

Пьер Агостини родился во Франции. В 1968 году ученый получил докторскую степень в Университете Экс-Марсель, работал в Центре Париж-Сакле Французской комиссии по альтернативной энергетике и атомной энергии (CEA). Затем он стал приглашенным специалистом в Университете Южной Калифорнии. С 2005 года Агостини профессор физики в Университет штата Огайо. В 2012 году его группа ученых из университетов штатов Огайо и Канзас сумела впервые запечатлеть движение атомов внутри молекулы с помощью камеры для сверхбыстрой съемки. Пьер Агостини также изобрел метод RABBITT для характеристики аттосекундных световых импульсов.

 

Ференц Крауш родился в Венгрии, окончил Будапештский технологический университет, где остался профессором на долгие годы. В 2003 году его назначили директором Института квантовой оптики Макса Планка в Гархинге (Германия). Он и его исследовательская группа первыми создали и измерили световой аттосекундный импульс, что положило начало аттосекундной физике.

 

Крауш является основателем благотворительной ассоциации “Science four People” (Наука для людей). Он заявил, что пожертвует денежную часть своей Нобелевской премии этой организации на помощь пострадавшим от российской агрессии украинцам.

-------------------
Размещено на сайте 13.10.2023


Чтобы оставить комментарий, необходимо зарегистрироваться
  • Хороший образчик научно-популярной публицистики.
    Сначала напомнили многими прочно забытые школьные знания. А потом на подготовленную почву выложили свежую, самую последнюю информацию. Она прочно свяжется с уже известным.
    Отлично!

  • Научно-технический прогресс, великое достижение,
    Меняет мир, создает новое измерение.
    Космические полеты, исследование глубин,
    Роботы, компьютеры, великие изобретения.

    Мы покоряем пространство, летаем в небеса,
    Создаем машины, которые делают нашу жизнь легче.
    Медицина продвигается, лечение становится эффективней,
    Доступ к информации – просто нажатие кнопки.

    Интернет связывает людей по всему миру,
    Социальные сети, онлайн-обучение – новые приключения.
    Робототехника, искусственный интеллект,
    Умные города, автономные транспортные средства – все это факты.

    Мы стремимся к новому, к лучшему будущему,
    И научно-технический прогресс помогает нам в этом.
    Но не забывайте, что важно сохранить гармонию,
    И использовать все это для блага и прогресса человечества.
    (стихотворение написано нейросетью по заказу Юрия Тубольцева)
    С уважением, Юрий Тубольцев

  • Искусственный интеллект
    чат гпт. https://gpt-chatbot.ru/ нейросеть чат jpt
    https://chat.openai.com/?model=gpt-4
    https://claude.ai/chats
    https://bard.google.com/
    Плюс в телеграмме много каналов chat-jpt надо их искать и добавлять, плюс в фэйсбуке канал ИИ называется bingo, плюс в интернете очень много разных каналов ИИ, можно искать по Гуглу.
    С уважением, Юрий Тубольцев

  • Юрий,

    не устаю удивляться хитроумности приручённой нейросети.

    Быть может, всё же пришлёте ссылку, о которой я просил Вас ранее, в своём ответе на Ваш комментарий к моей прошлой публикации?

  • А вот стих по поводу псевдооткрытий и лженауки:
    Бритва Аккама, бред суеты,
    Стал снежным комом чуши.
    Разум и знания, куда ушли?
    Вместо них - пустые слова и пышные речи.

    Научно-технический прогресс, где ты пропал?
    Вместо творений великих мы имеем лишь балаган.
    Космические полеты, исследования глубин,
    Заменились бессмысленными спорами и сплетнями.

    Роботы, компьютеры, великие изобретения,
    Стали просто игрушками для развлечения.
    Где человечность, забота и этика?

    Интернет связывает людей по всему миру,
    Но сколько в нем ненужной информации.
    Социальные сети, онлайн-обучение – новые приключения,
    Но где же глубина мысли и настоящие открытия?

    Робототехника, искусственный интеллект,
    Умные города, автономные транспортные средства – все это факты.
    Но где же человек, его творчество и вдохновенье?
    Забыли мы, что главное – это душа и сердце.

    Мы стремимся к новому, к лучшему будущему,
    Но не забывайте, что важно сохранить гармонию.
    Используйте прогресс для блага и прогресса человечества,
    Чтобы Бритва Аккама не стала снежным комом чуши.
    (стихотворение написано искусственным интеллектом по запросу Юрия Тубольцева).
    С уважением, Юрий Тубольцев

  • Уважаемый Адольф,
    Ваш очерк о новых научных изысканиях произвёл на меня глубокое впечатление, спасибо огромное!
    Согласен с Вами, с одной стороны идёт постоянный прогресс в науке и технике, а с другой стороны -
    агрессивное наступление авторитарных режимов (как сейчас в России) с подавлением демократических порядков. И жуткий парадокс в том, что эти авторитарные и тоталитарные режимы используют в своих целях современные научно-технические достижения (телевидение, Интернет, социальные сети) для пропаганды, распространениея лжи, обеспечивая своим режимам устойчивость. Недаром Сергей Гуриев назвал их - "Диктатуры обмана".
    Впечатлён новыми достижениями физики, которые позволят улучшить работу солнечных батарей, а в медицине - помогут в диагностике онкологических заболеваний.
    Осталось пожелать учёным разработать такой способ воздействия на диктаторов с помощью новых технологий, чтобы они отпадали от кормушек, а в странах нормализовалась бы ситуация и развивался демократический строй.
    Успехов и удачи! Н.Б.

    Комментарий последний раз редактировался в Воскресенье, 22 Окт 2023 - 22:19:03 Буторин Николай
  • Николай,

    благодарю Вас за внимание и оценку публикации. Все Ваши рассуждения справедливы. Так что будем надеяться.

  • Дорогой Адольф, спасибо за интересную публикацию!
    Дай бог, чтобы очередное перспективное открытие пошло на мирное благо, а не на военные цели, во вред человечеству, как это нередко случается.

  • Дорогой Александр!

    Ваши слова да в уши Творцу.

    Быть может, Он остановит сердце монстра ещё раз.

  • Адольф, дорогой, спасибо! Интересно и познавательно. И радует, что светлые головы нацелены на полезное для человечества, а не на то, чтобы убить себеподобных. Спасибо!

  • Дорогая Людмила!

    Меня тоже радуют учёные, вносящие вклад в прогресс науки, мирной техники и технологии, а не в орудия массовых убийств.

    А ещё радует, когда у монстра диагностируют остановку сердца, пока что недолговременную.

    Спасибо за неизменную поддержку.

  • Уважаемый Адольф,
    спасибо за интересную научно-популярную статью, раскрывающую новое направление в физике:
    применение аттосекундных импульсов для наблюдения за движением электронов в атомах и молекулах в режиме реального времени,- для получения изображений процессов внутри таких объектов.
    Эти научные достижения позволили глубже проникнуть в мир атома.
    Они ещё раз подтвердили что, действительно, "электрон также неисчерпаем, как и атом". А научные достижения шаг за шагом приводят к практическому применению тех достижений теоретической физики, которые месяцами и годами накапливались в университетских лабораториях и научных институтах.
    И Ваша статья ещё раз демонстрирует переход теории к практике, КАК с помощью аттосекундных вспышек света можно перемещать электрон в нужные места молекулы и это можно применить в электронике, где важно контролировать поведение электронов в материале, чтобы улучшить работу солнечных батарей. Это также можно использовать в медицинской диагностике – например, при раке лёгких.
    Вы также представили нам нобелевских лауреатов, получивших за эти разработки высшую научную награду -
    Нобелевскую премию по физике в 2023 году: Пьер Агостини из Университета штата Огайо, Ференц Крауш из Института квантовой оптики имени Макса Планка и Анн Л'Юилье из Университета Пьера и Марии Кюри
    - “За экспериментальные методы генерации аттосекундных световых импульсов для изучения движения электронов внутри атомов и молекул ”.
    С наилучшими пожеланиями творческих успехов и новых научно-популярных статей, путевых заметок по Украине и др.странам, а также новых стихотворений!
    Валерия

  • Уважаемая Валерия!

    Благодарю за отклик на публикацию. Надеюсь на понимание не подготовленных в научных вопросах читателей.
    Кажется, удалось избежать заумности и чрезмерной громоздкости текста.

    P.S. Несколько дней назад я отправил Вам электронное письмо. Надеюсь, что Ваши компьютерщики помогут разобраться, и Вы дадите мне знать.

    Комментарий последний раз редактировался в Понедельник, 23 Окт 2023 - 16:25:37 Берлин Адольф

Последние поступления

Кто сейчас на сайте?

Шашков Андрей   Голод Аркадий  

Посетители

  • Пользователей на сайте: 2
  • Пользователей не на сайте: 2,325
  • Гостей: 584