Atom jest podstawowym budulcem materii. Widzimy obraz atomu w książkach i być może rysowałeś atom w czasie swoich szkolnych lat. Czy atom wygląda tak samo jak ten okrągły?
Aktualny obraz atomu
Jesteśmy istotą, która chce wszystko wizualizować. Chcemy widzieć światło w postaci promieni, a nawet wielkości abstrakcyjne, takie jak miłość, w postaci zachowań. Być może wizualizacja zapewnia istnienie czegoś w moim przekonaniu. Tak, istotą istnienia czegoś jest jego wizualizacja.
To dlatego odrzucono koncepcje atomów, dopóki Albert Einstein nie pozwolił ludziom zwizualizować atomów poprzez statystyczną interpretację ruchu Browna. Viola! Jest atom, istnieje matematycznie. Ale rzeczywisty obraz atomu pozostał niejasny z powodu jego miniaturowej natury. Teraz sprawy mają się inaczej.
Jak wygląda atom?
Atomy są rzeczami, które tworzą każdą materię. Tak więc, w pewnym sensie, widzisz atomy. To, czym jest wszystko, ty też jesteś bryłą atomów, prawda? Ale czy zastanawiałeś się nad obrazem atomu, pojedynczego atomu?
Rozmiar atomu to około 10-100 miliardowych części metra. Wizualizacja pojedynczego atomu jest więc zadaniem nieco trudnym, a nie niemożliwym, jak insynuuje współczesna technologia. Pomimo tak miniaturowej natury, rozwój mikroskopu elektronowego sprawił, że naukowcy są w stanie wykonać zdjęcia atomu. Zdjęcie atomu, pojedynczego i odizolowanego, można znaleźć tutaj.
Atomy są obiektami punktowymi. Punkt na papierze jest w przybliżeniu okrągły, a w przestrzeni trójwymiarowej jest sferą. Tak więc, w pewnym sensie, jest w zwyczaju myśleć o atomie jako o kulistym.
Ale jeśli masz mikroskop o bardzo wysokiej rozdzielczości, który może rozróżnić obiekt oddzielony prawie setkami milionowych ułamków metra, możesz po prostu zobaczyć kropkę, kulę. Być może w przyszłości będziemy w stanie zobaczyć o wiele więcej szczegółów, ale na razie jest to tylko sfera. Lepszym obrazem atomu jest obraz matematyczny.
Czy atom jest zatem idealną kulą?
Zdjęcie, które zrobiliśmy do tej pory, pokazuje, że są one kuliste. Nawet od początku szkoły uczono nas, że atomy są kuliste, każda demonstracja zawierała kuliste obiekty podobne do kuli bilardowej jako atomy. Ale, czy ten sferyczny obraz jest poprawny?
W pewnych przybliżeniach, ten obraz atomu jest poprawny. Mog± być zniekształcenia i dla uproszczenia możemy je pomin±ć. Chmura elektronów kr±ż±ca wokół potencjału wyznaczonego przez j±dro o pewnej dyskretnej energii, daje nam obraz sferyczny.
Hurdy w wizualizacji
Rozmiar atomu jest niezwykle mały. Dlatego też istnieją różne trudności w jego zobrazowaniu. Zwykłe światło widzialne ma długość fali znacznie większą niż rozmiar atomu, więc nie może być użyte do oglądania atomów. Światło takie może ulec rozproszeniu i nie powstanie wyraźny obraz. Jednak elektrony mogą mieć długość fali 100 000 razy mniejszą niż światło widzialne, więc mogą mieć lepszą zdolność rozdzielczą.
Mikroskop elektronowy również może być używany do oglądania atomów, ale nadal ma ograniczoną rozdzielczość. Możemy zobaczyć tylko sferyczny obraz atomu, jak omówiliśmy powyżej. A mikroskop o lepszej rozdzielczości niż mikroskop elektronowy nie został jeszcze opracowany.
Rozmiar świata atomowego nie jest tylko powodem, który utrudnia jego wizualizację, jego dziwność sprawia, że sprawy są jeszcze bardziej skomplikowane. Elektrony w atomie zachowuj± się zarówno jak fala, jak i cz±stka, a do tego dochodzi niepewno¶ć, niepewno¶ć Heisenberga. Tak więc postrzeganie atomów w taki sposób, w jaki postrzegamy przedmioty w życiu, jest całkowicie absurdalne. Istnieje tylko jeden prawdziwy obraz atomu i jego matematyczny obraz.
Faktyczny obraz atomu
Atomy są w rzeczywistości niewidzialne dla nas. Światło widzialne, światło, które widzimy, nie może rozwiązać obrazu atomu. Tak więc, rzeczywisty obraz atomu jest matematyczny. Matematyka jest jedyną rzeczą odczuwaną przez fizyków i matematyczny obraz jest prawdziwym obrazem atomu.
Zgodnie z nim elektrony znajdują się wokół jądra, każdy w ustalonym stanie, reprezentowanym przez funkcję matematyczną zwaną funkcją falową. Nie tylko elektrony, ale wszystkie cząstki kwantowe mogą być reprezentowane przez funkcję falową. Funkcja falowa zawiera wszystkie informacje o cząstce i jeśli chcemy zmierzyć jakieś wartości z nią związane, używamy operatora z nią związanego.
Podobnie, cząstki w jądrze, neutrony i protony, również mogą być reprezentowane przez takie funkcje stanu. Wreszcie, jedyne czego potrzebujemy to matematyczne wartości różnych wielkości związanych z cząstką, które można uzyskać z tych funkcji. Jeżeli potrafimy je obliczyć z większ± dokładno¶ci±, to rozdzielczo¶ć jest większa. Tak właśnie wygląda obraz atomu, wystarczy obliczyć, w końcu widzenie to też akt pomiaru.