Наглядная визуализация для осознания величин в микромире на примере атома водорода
Тема наглядной визуализации мне кажется довольно интересной и сегодня поговорим о визуализации микромира (возможности представления и осознания бесконечно малых размеров на основе привычных объектов) на примере атома водорода, но в масштабе, который можно легко себе представить и осознать.
В школьном курсе физики, строение атомов представлено в соответствии с планетарной моделью Резерфорда. В центре атома расположено ядро, имеющее положительный заряд. Вокруг ядра по орбитам движутся электроны, которые имеют отрицательный заряд. А "суммарно" сам атом нейтрален. Водород же имеет всего один электрон, который по орбите движется вокруг ядра.
Понятно, что измерить радиус атома, а тем более ядра и электрона невозможно ни с помощью сильнейшего микроскопа, ни тем более линейкой. Поэтому ученые пытаются измерить данные величины "косвенными" методами. С развитием науки, техники и технологий официальные данные "замеров" величин микромира доказываются, меняются, уточняются. Давайте для нашей визуализации возьмем принятые (понятно, что с большим допуском) в "научно-популярном" мире размера атома и его "составных частей".
Давайте увеличим радиус атома до размеров футбольного поля, т.е. до 100 метров (стандартный размер футбольного поля от 100 до 120 метров. Возьмем самое "короткое"). Увеличив во столько же раз размеры ядра и электрона получим в наших пропорциях радиус ядра - 1 см, а радиус электрона - 0,1 см. Диаметры же ядра и электрона будут 2 см и 0,2 см соответственно. Под эти размеры как нельзя лучше подпадают черешня и головка спички - их и возьмем для визуализации.
Получаем такую "картинку". За одними воротами расположим черешню (это ядро), за другими спичечную головку (это электрон). Длина самого поля - это радиус атома.
Пусть "официально признанные" в микромире размеры атома и его "составных частей" довольно приблизительны, но теперь, в другом масштабе, стали понятны относительные размеры атома водорода, ядра, электрона и расстояния между ядром и электроном в атоме.
Если тема статьи Вам показалась интересной, то можете ознакомиться со статьей о "визуализации", но уже макромира - "Наглядная визуализация для осознания больших величин на примере Солнца, Земли и скорости света".
16 комментариев
Добавить комментарий
Эта фотография, как и все в квантовом мире, получена чисто статистически после многократных «разрушений» атомов. Собственно, процесс измерения в квантовом мире — это изменение состояния измеряемого объекта. Потому и не видно истинных размеров ядра и электронов, которые должны быть много меньше того, что есть на фото. Интересно, что на этом «фото» видны только первые две s-орбитали. И тем более не видно p- и d- орбиталей, которые совсем не сферические… Видимо, возбуждение было недостаточно сильным для проявления орбиталей с более высокими энергиями.
P.S. Не надо говорить про «ионизированные электроны». Ион — это атом, у которого отняли часть электронов…
После облучения лазерными импульсами, ионизированные электроны покидали свои орбиты и по измеренной траектории попадали в 2D детектор (двойная микроканальная пластина [MCP]. Детектор расположен перпендикулярно к самому полю). Существует множество траекторий, по которым могут перемещаться электронов до столкновения с детектором. Это обеспечивает исследователей набором интерференционных картин, — моделей которые отражают узловую структуру волновой функции.
Исследователи использовали электростатическую линзу, которая увеличивает исходящую волну электронов более чем в 20000 раз.
Есть есть еще один вариант объяснения размеров микромира. Вы хотите пиво и вы ядро атома, а банка пива это электрон. Так вот, если вы водород, то сгонять за пивом недалеко, ближайший магазинчик или ларек в 100 метрах. А вот если вы как уран, то бежать гораздо дальше, во всех ближайших ларьках очереди от более легких друзей. Да и так получается, что водород легкий на подъем, а уран тяжелый домосед.
Добавить комментарий