Підтверджена можливість колапсу атомів

І знову на арені дитячі запитання: чому електрон не падає на ядро атома? Позитивний заряд ядра і негативний — електрона знаходяться в стані балансу, тому електрон не падає на ядро і не відлітає від нього. І все-таки при певних умовах цей баланс повинен порушуватися, тобто електрон зобов’язаний в прямому сенсі падати на ядро, викликаючи передчасну кончину атома. Але навіть з того факту, що планети, зірки і люди все ж існують, очевидно, що це відбувається лише при досить специфічних умовах. Такий стан настає при заряд ядра (тобто кількості протонів в ньому) вище 137 (недавні обчислення підняли цю цифру до 170), і тоді теоретично електрон повинен не просто впасти на ядро, а породити там своїх двійників з антисвіту — позитрони, які потім полетять в навколишній простір і накоять всякого.

Штучне ядро атома, що складається з п’яти димерів кальцію на графені, в електронному хмарі, що знаходиться на межі колапсу (тут і нижче мал. M. Crommie).

«Такі атоми, як очікувалося, сколлапсируют, “забравши” електрон з вакууму, притягнувши його до ядра і отримавши надлишковий заряд,» — пояснює Леонід Левитів з Массачусетського технологічного інституту (США), один з авторів нової роботи, присвяченої цій темі.

Здавалося б, відмінний припущення — в тому сенсі, що міцно незаперечне: ядра атомів вище 118 у нас поки не виходить ні в природі знайти, ні створити штучно. Вже багато років фізики сподіваються взяти твердиню якщо не змором, то хитрістю. Оскільки таких важких елементів дістати не вдається, схожого ефекту намагаються домогтися, зіштовхуючи два ядра (наприклад, урану з атомним номером 92) на влаштовувачах частинок. «Такі експерименти проводилися десятиліттями», — коментує ситуацію пан Левитів. Але, звичайно, ясного свідчення колапсу атома не було.

Тому автори даної роботи запропонували використовувати нову хитрість для симулювання такого колапсу. В графені — одноатомной в товщину решітці з атомів вуглецю — електрони, в силу незвичайної топології цього матеріалу, ведуть себе як безмассовые частинки, хоча насправді маса у них є. Проте вони рухаються зі швидкостями, значно меншими, ніж справжні безмассовые частинки. А отже, стану, формально схожі з колапсами атомів, з участю таких електронів можна викликати при в стільки ж разів менший заряд ядра.

В якості замінників атомних ядер фізики використовували пари атомів (димери) кальцію на графеновій основі. Використовуючи маніпулятор скануючий тунельний мікроскоп, вони отримали чіткі свідчення події, повністю аналогічного колапсу ядер атомів.

Нормальний електрон навколо нормального ядра (як ті, з яких ми складаємося з вами) і ультрарелятивистские електрони навколо нестійкого надкритичного ядра.

Як тільки три таких димеру виявилися досить близько один до одного, навколишній полі електронів показало специфічний спектр резонансів, точно совпадавших з тими, що десятиліття тому були передбачені для колапсу атома. Спостерігалися резонанси зберігалися і для штучних «ядер атомів» з чотирьох і п’яти димерів.

Хоча ідея експерименту полягала в тому, щоб підтвердити давні квантовомеханічні передбачення щодо колапсу атомів, додатки у неї можуть бути в міру практичними. По-перше, як виявилося, так можна вивчити багато властивості графену, який зараз активно просувається на роль матеріалу для електроніки. По-друге, така чутливість штучних «атомів» на графені дозволяє сподіватися на використання подібних структур як детекторів хімічних і біомаркерів.

Проте дещо підсумки досвіду не цілком ясно. Видалення заряду від такого штучного «ядра» давало реакцію оточуючих електронів, що дуже відрізняється від того, що траплялося, коли заряд, навпаки, додавали. З точки зору квантової механіки нічого такого не передбачалося. «Це означає, що там відбувається щось, чого ми не розуміємо», — вважає Леонід Левитів.

Звіт про дослідження опублікований в журналі Science.

Підготовлено за матеріалами MIT News.

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *