Международная научная группа под общим руководством Анеты Стодольна (Aneta Stodolna) из лаборатории AMOLF Нидерландского фонда фундаментальных исследований сделала снимок атома водорода. В этом учёным помог метод, описанный советскими физиками Ю. Н. Демковым, В. Д. Кондратовичем и В. Н. Островским в 1981 году.

Получить картину происходящего внутри атома предельно сложно. Вместо точного «адреса» того же электрона квантовая физика предлагает нам описание его местоположения в виде волновой функции, дающей вероятность обнаружения частицы в том или ином месте. Теоретически волновую функцию можно предсказать, но как её измерить? Попытка её прямого наблюдения приводит к коллапсу, фактическому уничтожению функции, с соответствующей потерей информации.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки. (Здесь и ниже иллюстрации Aneta Stodolna et al).

Сущность метода, при помощи которого был сделан столь необычный снимок, относительно проста. Два лазера обстреливают атомы водорода внутри закрытой камеры. Электроны вылетают из атомов со скоростями и направлениями, зависящими от их волновой функции излучения (ионизация), и начинают интерферировать. Сильное электрическое поле внутри камеры направляет электроны к заранее предусмотренным точкам на плоском детекторе, где они распределяются по скоростям, которые получили после соударения, а не в зависимости от своего первоначального местоположения.

Таким образом, распределение электронов на плоском детекторе (экране), находящемся на некотором удалении от источника электронов, совпадает с волновой функцией, которую они имели перед тем, когда лишились контакта с атомным ядром, бросив свои орбиты и отправившись в путешествие по камере.

Ранее метод использовался лишь для получения «снимков» молекул, и только теперь в его поле зрения впервые попал отдельный атом.

Рис. 2. Эти атомы водорода «обстреливались» лазерами со слегка разной длиной волны, что и привело к несколько иному виду итоговых волновых функций.

Распределение электронов отражается на фосфоресцирующем экране, и именного его и зафиксировали физики. Конечно, чтобы иметь точный «портрет» атома водорода, таких электронов надо накопить довольно много — ведь фактически об электроне нельзя сказать, что есть точка, в которой он наверняка находится.

На деле он с некоторой вероятностью существует в области пространства, ограниченной некоей поверхностью. Плотность вероятности его появления на ограниченной поверхности может, по сути, выбираться произвольно, однако обычно (для простоты) её «назначают» в диапазоне от 0,9 до 0,99. Поэтому, хотя электрон в атоме водорода всего один, он не имеет какого-то определённого положения сам по себе, и для гарантированного понимания реальной ситуации внутри атома водорода пришлось накопить данные почти по 20 тыс. электронов, «выбитых» из примерного того же числа атомов водорода.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Physical Review Letters.