Cуператомы

Лазерная техника все активнее используется при исследованиях электронного строения и физико-химических свойств атомных и молекулярных систем. Благодаря применению лазеров успешно развиваются новые области физики и химии. Ниже приведены некоторые примеры использования лазеров.

• Холодный газ из натриевых атомов, как и любой другой газ, конденсируется, давая «капли» из 8, 20, 40, 58 и 92 атомов. Такие кластеры атомов напоминают по своему поведению гель или желе. Исследование показало, что в кластерах электроны, претерпев «перестройку», находятся как бы на орбиталях гигантского атома (суператома).

Выяснилось, что количество электронов, входящих во вновь созданные в кластерах электронные оболочки, равно «классической восьмерке», характерной для инертных газов. При этом атомы натрия отдают свой внешний электрон в «гель».

• История гласит, что между отцами-основателями современной квантовой физики шли нескончаемые споры. Н.Бор спорил с Э.Резерфордом, А.Эйнштейн с Н.Бором... Теперь-то мы понимаем, что спорили-то они на пустом месте, потому что экспериментальные методы исследования были тогда примитивными, если не сказать кустарными, а приложения математики – на уровне «арифметики»: ведь что-либо сложное невозможно рассчитать без мощных компьютеров, а они появились только после второй мировой войны.

Резерфорд, в частности, утверждал (в рамках классической физики, кстати), что электрон вращается вокруг ядра атома, как планета вокруг солнца. Бор же настаивал, что процесс движения электрона в атоме статистичен и вероятностен. Слово «орбита» заменили на термин «орбиталь» и ввели -функцию «размытого» электрона. С этим все смирились, потому что точно определить траекторию движения электрона в атоме невозможно. Был даже провозглашен принцип неопределенности Гейзенберга.

Двухканальная лазерная система

Но, похоже, резерфордовская планетарная модель атома не так уж и несостоятельна. Ученые с помощью микроволнового излучения в диапазоне 13–19 Ггц, что раз в десять превышает частоту колебаний в привычных всем микроволновых установках, научились «удлинять орбиту» электрона и делать ее все более обнаруживаемой. Подобное «удлинение» может стать «бесконечным», если электрон, как космический корабль или станцию на орбите, «подпитывать» энергией с необходимыми орбитальными частотами. При этом та или иная частота ускоряет или замедляет движение электрона вокруг атомного ядра.

Эксперименты проводили с возбужденными атомами лития, причем, как всегда в подобных опытах, использовали лазеры с пико- и фемтосекундными импульсами (10 в минус 12-й и 15-й степени соответственно). В зависимости от частоты микроволнового излучения происходило «удлинение» или «укорочение» орбиты движения электрона. Оказалось, что для электрона при его вращении вокруг ядра атома лития можно обнаружить не более тысячи четко проявляющихся орбит.

• Сейчас в науке свободно оперируют таким понятием, как «ультрахолодный газ», который был впервые получен каких-то десять лет назад. И хотя еще в 1938 г. академик П.Л.Капица получил сверхтекучий гелий при всего лишь двух градусах Кельвина, однако только в 1995 г. две тысячи атомов рубидия и полмиллиона атомов натрия удалось охладить с помощью лазерных лучей до такого газового состояния, в котором вся совокупность атомов ведет себя как единое целое.

Сейчас рубидиевые атомы улавливают в трехмерных оптических ловушках, образованных тремя взаимно перпендикулярными лазерными лучами. При этом в каждой «ячейке» оптической решетки находится один-единственный атом элемента. Количество уловленных атомов достигает сотен тысяч, что позволяет генерировать большой полезный сигнал.

Это означает, что создан новый спектроскоп. По поглощению энергии направленного на атомы лазерного луча измеряется степень плотности электронного облака вдоль направления движения луча. Новый спектроскопический метод позволяет непосредственно наблюдать за взаимодействиями между атомами.

Как говорится, лучше один раз увидеть…

Материал подготовил И.Э.Лалаянц
Science, 2005, № 5716, р. 1757)