Учёный ЮФУ рассказал о квантовой теории строения атома

110 лет один из величайших ученых Нильс Хенрик Давид Бор сформировал квантовую теорию строения атома, которую начали изучать еще в V–IV веке до нашей эры. В этот день доктор физико-математических наук, профессор Физического факультета ЮФУ Леон Авакян рассказал, как проходило становление данной теории, претерпела ли она изменения в наше время и как ее используют современные ученые.

Атомистическая теория является наиболее важным достоянием человечества. Эта та информация, которая не может быть получена без внушительной приборной базы и которая позволяет объяснить широкий круг явлений и процессов. По мнению Ричарда Фенмана, если в случае апокалипсиса будет возможность передать будущим поколениям разумных существ информацию из нескольких слов, то это должна быть информация о том, что вещество состоит из мельчайших неделимых фрагментов — атомов.

Но что же такое атом и как он появился? Все тела, которые встречаются в живой и неживой природе, состоят из самых мелких частиц – атомов. Первый, кто высказал мнение об этом, был древнегреческий философ Демокрит. Именно он сформулировал понятие атома («неделимы») в V–IV веках до нашей эры. На протяжении длительного времени после открытия Демокрита продолжались споры между приверженцами двух противоположных идей. Одни считали материю непрерывной и самоповторяющейся, как бы мы детально ее не рассматривали, а другие полагали, что есть элементарный «кирпичик», из которого складываются все материальные объекты.

По словам эксперта ЮФУ, становление известной сегодня квантовой теории строения атома проходило не просто, поскольку было очень сложно получить экспериментальный факт существования атомов, не имя доступа к высокоточным приборам. Теорию развивали разные известные во всем мире ученые, например, Джон Дальтон, Джозеф Томсон и Эрнест Резерфорд, обсуждали десятки философов, в том числе Фрэнсис Бэкон и Рене Декарт. Некоторые исследователи говорят, что именно Резерфорд сделал первый шаг в правильном направлении, и развитие теории строения атома пошло по тому пути, который он наметил.

В 1913 году датский физик Нильс Бор предложил свою вариацию теории строения атома. Бор не отрицал модель строения атома Эрнеста Резерфорда, но внес в нее некоторые уточнения: по его мнению, электроны вокруг ядра вращаются не произвольным, а по строго определенным орбитам при этом не поглощают и не выделяют энергию. Следовательно, Нильс Бор утверждал, что электроны в атоме не подчиняются законам классической физики.

«Теория Бора относится к так называемым эмпирическим теориям, которые описывают экспериментально наблюдаемые явления, не пытаясь отвечать на вопрос о более глубоких причинах этих явлений. Так, в теории Бора говорится, что атомы обладают дискретными уровнями энергиями, не касаясь вопроса о том, почему эти уровни дискретны. Понятно, что область применения эмпирических теорий ограничена. Будут ли наблюдаться дискретные уровни у наночастицы, составленной и сотни атомов? Ответ теория Бора не дает. Но такой ответ есть у квантовой теории – да, будут. Данная теория основана на более фундаментальных принципах, таких как принцип неопределенности Гейзенберга и правила запрета Паули. Из квантовой теории можно получить постулаты Бора, а наоборот — нельзя. Найти еще более фундаментальные принципы, из которых можно было бы вывести квантовую теорию, пока еще не удается», – рассказал профессор кафедры теоретической и вычислительной физики Физического факультета ЮФУ Леон Авакян.

Ограниченность теории Бора не означает, что она ошибочна. Наоборот, она дает хорошее представление об атомах, объясняет спектры атомов (но не наночастиц). Более детальные эксперименты и квантовомеханические расчеты показывают, что атомные уровни устроены сложнее, чем это представлено в теории Бора, порою они расщепляются на несколько подуровней, смещаются. Но это очень тонкие эффекты, для их наблюдения нужны приборы высокого класса, которых еще не существовало в 1913 году. Так или иначе, общая картина теории Бора остается верной.

«С позиции современного знания — информация о строении чего-либо позволяет понять, как формируются свойства объекта. Обладая такой информацией уже можно целенаправленно менять свойства объектов, а это как раз то, чем занимается человечество большую часть существования. Например, не зная о невозможности превращения свинца в золото химическим путем (факт очевидно следующий из атомистической теории), можно бесконечно выдавать гранты ученым-алхимикам на поиски философского камня. И наоборот, зная, что в лекарственных снадобьях есть активный компонент, можно выделить и синтезировать именно его, а не давать пациентам всю природную смесь, в которой могут содержаться и откровенно вредные составляющие. То есть, изучение внутреннего строения атома – это важное направление науки, которое приносит свои плоды и еще больше принесет в будущем», – рассказал Леон Авакян.

Стоит сказать, что даже сегодня ученые всего мира не перестают изучать атом и его строение. Так, в январе 2023 года исследователи из Брукхейвенской национальной лаборатории составили детальную карту расположения элементарных частиц внутри атомного ядра. Эта новость весьма примечательна двумя моментами. Во-первых, это первое в истории наблюдение квантовой запутанности между частицами разного происхождения, во-вторых — это визуализация атомного ядра и измерение его размеров, снимающее имевшееся ранее недопонимание.

«Что же касается карты расположения, то это, пожалуй, слишком смелое утверждение, поскольку атомное ядро скорее напоминает «каплю», в которой имеются нуклоны (протоны и нейтроны), но эти нуклоны очень сильно друг с другом связаны, до потери идентичности. То, что в ядре есть протоны и нейтроны мы видим косвенно — в процессах распада или синтеза. Картинка из учебника с плотно сидящими шариками хороша для общего представления, но не очень реалистична», – отметил ученый.

Эксперт утверждает, что то, что показали зарубежные ученые, является изображением с детектора (круги и многогранники), а не изображением ядра. Цветные линии изображают треки от детектируемых частиц — продуктов взаимодействия ядра и налетающих разогнанных ионов. Процесс взаимодействия весьма интересен — разогнанный ион формирует «облако» рентгеновских фотонов, которое взаимодействует с частицами, склеивающими нуклоны в ядре — глюонами. Это взаимодействие приводит к появлению пар частица-античастица — пионов π+ и π−. И одна частица из пары уже попадает в детектор. Для определения размеров и формы ядра применялась двумерная развертка, что позволило устранить завышение ранее полученных оценок размер ядер, получаемых в одномерной картине.

«Примечательно здесь то, что состояния пионов пришедших от двух соседних ядер оказываются квантово запутанными. Ранее квантово запутанные системы получались «копированием» состояния одной частицы, здесь же оно возникает независимо. Интерес к квантово запутанным состояниям вызван не только фундаментальными вопросами, но и практическими. Такие состояния уже сейчас применяются в областях квантовых вычислений и квантовой типографии», – отметил Леон Авакян.

Профессор ЮФУ отметил, что среди его научных исследований сейчас активно ведется проект, поддержанный Российским научным фондом «Атомная структура в масштабе ближнего и среднего порядка стекол на основе оксида бора — новых материалов для фотоники и лазерной техники». Он посвящен изучению особенностей укладки атомов в боратных стеклах. По его словам, стекла разрабатываются коллегами из РХТУ им. Д.И. Менделеева (Москва) в группе под руководством проф. Сигаева, а здесь, в Ростове, Леон Авакян вместе с коллегами проникают в глубину строения этих стекол и расшифровывают данные рентгеновских экспериментов. Из недавних достижений, ученым удалось выделить цепочки атомов бария и ниобия в фосфатоборониобиевых стеклах. Работа принята к печати в журнале «Стекло и керамика».

Однажды возникновение квантовой теории кардинально изменило представление практически всех ученых на наш мир и его структуру. Сегодня современные высокоточные приборы и большой опыт отечественных ученых позволяет нам ближе «знакомиться» с атомами и внедрять полученные знания в реальные научные исследования, которые позволяют ответить на глобальные вызовы человечества.