• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Pierwszy obraz orbitali pojedynczego atomu

    21.12.2009. 21:39
    opublikowane przez: Piotr aewski-Banaszak

    Igor Mik­hail­ovskij wraz z zespołem z Charkowskiego Instytutu Fizyki na Ukrainie, poprawiając starą technikę obrazowania, zwaną mikroskopią emisji pola, po raz pierwszy pokazał obraz orbitali atomowych i faktyczny kształt pojedynczego atomu węgla.

    Mikroskop polowy składa się z metalicznej próbki w formie ostrej końcówki i fluorescencyjnego ekranu przewodzącego, zamkniętych w ultrawysokiej próżni. Próbka jest utrzymywana w dużym potencjale ujemnym w stosunku do fluoroscencyjnego ekranu. Skutkiem jest pole elektryczne przy czubku próbki o wartości 1010 V/m, co wystarcza do wywołania emisji elektronów.

    Mechanika kwantowa mówi, że elektron nie występuje jako pojedynczy punkt, ale rozprzestrzenia się wokół jądra atomu, w chmurze znanej orbitalem elektronowym. Jasno niebieskie kule i podzielone chmury, widoczne na zdjęciach, pokazują dwa ułożenia elektronów na swoich orbitalach w atomie węgla. Otrzymane obrazy są takie same jak rysunki w wielu podręcznikach.

    Zespół z Charkowa użył arkusza grafenu, grubości 1 atomu węgla i długości 10 atomów, by stworzyć łańcuch atomów węgla, który następnie oziębił, umieszczając w próżni o temperaturze 4,2 K. Przepuścił prąd o napięciu 425 V, co sprawiło, że końcowy atom emitował elektrony na ekran, tworząc obraz elektronowej chmury wokół jądra.

    "Otrzymaliśmy faktyczny obraz pojedynczych atomów" - powiedział Igor Mik­hail­ovskij.

    Obraz wyglądał tak dobrze jak w podręczniku, choć pojawiły się tylko najbardziej zewnętrzne orbitale. "Zmieniając intensywność prądu, zespół mógł przełączyć energię ostatniego, najbardziej zewnętrznego elektronu atomu z niższego poziomu na poziom wyższy. Uczeni obserwowali również elektrony przechodzące spontanicznie z jednego stanu w drugi, czego przyczyny pozostają nieznane" - mówi Mikhailovskij.

    Już wcześniej obserwowano pojedyncze atomy, używając elektronowych mikroskopów transmisyjnych, które wystrzeliwały elektrony przez obiekt i mierzyły jak ich trasa się odginała lub skaningowych mikroskopów tunelowych, które "czują" kształt próbki końcówką mikroskopową. Zdjęcia robione z użyciem mikroskopu sił atomowych nie uzyskiwały takiej rozdzielczości subatomowej. A skaningowy mikroskop tunelowy pozwalał mapować strukturę elektronów w próbce wielu atomów.

    Mikroskopia emisji pola ściąga elektrony przez jeden rodzaj obiektu, który jest obserwowany. "W związku z tym - jak mówi Alex Zettl z University of California, Berkeley - jest mniejsza szansa fałszywego przedstawienia i nadinterpretacji sygnału. To jak słyszenie wypowiedzianego wyrazu bezpośrednio z oryginalnego źródła a nie od tłumacza".

    "Zawsze dobrze jest mieć uzupełniające metody badania - mówi profesor Goldhaber-Gordon ze Stanford University in California. - Czasami coś zastanawiającego w jednym obrazie stanie się jasne w drugim. To odkrycie jest szczególne i godne uwagi".

    Poza potwierdzeniem rysunków zawartych w podręcznikach, technika naukowców z Ukrainy może wyjaśnić właściwości łańcuchów atomów węgla, które ciągle nie są dobrze poznane.

    Źródło:
    PAP - Nauka w Polsce

    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    Transmisyjny mikroskop elektronowy (ang:Transmission Electron Microscope) - rejestrowane są elektrony przechodzące przez próbkę. Próbką w takim mikroskopie musi być cienką płytką o grubości mniejszej od 0,1 mikrometra. Przygotowanie takiej próbki jest trudne i znacznie ogranicza zastosowania mikroskopu. Energia jonizacji, potencjał jonizacyjny atomu lub cząsteczki – minimalna energia, którą należy dostarczyć, aby oderwać elektron od atomu danego pierwiastka lub cząsteczki. Przy jonizacji atomu znajdującego się w stanie podstawowym używa się określenia "pierwszy potencjał jonizacyjny"; przy odrywaniu kolejnych elektronów mówi się o drugim, trzecim, n-tym potencjale jonizacyjnym, określając w ten sposób energię potrzebną do oderwania n-tego elektronu po wcześniejszym oderwaniu n - 1 elektronów. Elektron walencyjny - elektrony znajdujące się na ostatniej, najbardziej zewnętrznej powłoce atomów, która nazywana jest powłoką walencyjną. Liczba oraz poziomy energetyczne elektronów walencyjnych decydują w dużym stopniu o właściwościach atomów a tym samym i pierwiastków chemicznych.

    Licznik proporcjonalny – gazowy detektor promieniowania jonizującego pracujący w zakresie napięć, dla których występuje zjawisko wzmocnienia gazowego, czyli proporcjonalnego wzrostu ładunku docierającego do elektrody względem ładunku jonizacji pierwotnej. Zjawisko to występuje wokół anody wykonanej z cienkiego napiętego drutu, wokół którego wytwarzane jest silne pole elektryczne. Elektrony przyspieszane w polu elektrycznym osiągają energię wystarczającą do wywołania jonizacji wtórnej. Jeden elektron powoduje powstanie lawiny elektronów wtórnych, jonów dodatnich i pewnej liczby wzbudzonych atomów i cząsteczek. Maksymalna wartość współczynnika wzmocnienia zależy od właściwości gazu oraz od gęstości jonizacji pierwotnej, dla cząstek α jest to między 10 a 10. W przypadku pojedynczych elektronów osiąga się wzmocnienia rzędu 10. Promień van der Waalsa - odległość najdalszych elektronów od jądra atomowego (w przypadku pojedynczego atomu) lub od geometrycznego środka cząsteczki. Wyobrażając sobie atom lub cząsteczkę jako kulę, której powierzchnię tworzą najdalej położone od centrum elektrony, promień van der Waalsa jest po prostu promieniem tej kuli. Chociaż takie uproszczenie jest z punktu widzenia mechaniki kwantowej całkowicie błędne i naiwne, to jednak sprawdza się ono w wielu praktycznych zastosowaniach.

    Promieniowanie charakterystyczne – linie spektralne atomów charakterystyczne dla danego pierwiastka, powstające po wybiciu elektronu z dolnych powłok elektronowych, gdy następuje przejście elektronu z wyższych powłok na wolne. Zjawisko związane jest z tym, że po wybiciu elektronu z niskiej powłoki (np. K lub L) następuje wzbudzenie atomu (atom bez elektronu z powłoki K ma większą energię niż z), które po pewnym czasie zanika w wyniku kaskadowego przejścia elektronów na niższe powłoki. Wiązanie chemiczne według klasycznej definicji to każde trwałe połączenie dwóch atomów. Wiązania chemiczne powstają na skutek uwspólnienia dwóch lub większej liczby elektronów pochodzących bądź z jednego, bądź z obu łączących się atomów lub przeskoku jednego lub większej liczby elektronów z jednego atomu na drugi i utworzenia w wyniku tego tzw. pary jonowej.

    Konwersja wewnętrzna jest procesem jądrowym, w którym energia wzbudzenia jądra atomowego zostaje przekazana bezpośrednio jednemu z elektronów orbitalnych atomu. Następuje tym samym emisja (wyrzucenie) elektronu przez atom. Proces ten jest konkurencyjnym dla emisji promieniowania gamma i zachodzi głównie w atomach o dużych liczbach atomowych, przy stosunkowo małych energiach wzbudzenia jąder, rzędu (10-100) keV. Promień walencyjny atomów, zwany też czasami promieniem kowalencyjnym – średnia odległość najdalej położonych od jądra atomu elektronów występująca w pojedynczych wiązaniach chemicznych tworzonych przez te atomy. Można też powiedzieć, że promień walencyjny jest równy połowie średniej długości pojedynczych wiązań chemicznych jakie zwykle tworzy dany atom.

    Promień atomu Bohra to teoretycznie obliczony, (na podstawie modelu kwantowego atomu zaproponowanego przez Nielsa Bohra) promień orbity, na której znajduje się elektron na pojedynczym atomie wodoru, w stanie podstawowym, w całkowitej próżni. Promień ten wynosi 0,529 177 210 92(17) · 10 m. Powłoce tej odpowiada energia elektronu o wartości ok. -13,6 eV (energia stanu podstawowego atomu wodoru).

    Detektor gazowy – detektor cząstek naładowanych, w którym materiałem roboczym jest gaz. Cząstka naładowana przechodząc przez gaz jonizuje go – odrywa elektrony od atomów. Elektrony następnie docierają do anody, co powoduje wytworzenie sygnału elektrycznego rejestrowanego w elektronicznym systemie detekcji. Większość detektorów gazowych wykorzystuje mechanizm wzmocnienia gazowego – powielenia pierwotnych elektronów w silnym polu elektrycznym.

    Promień jonowy – promień Van der Waalsa jonu, czyli odległość najbardziej oddalonych elektronów od jądra atomu w przypadku jonów utworzonych z jednego atomu, lub też od geometrycznego centrum jonów złożonych z większej liczby atomów. Hybrydyzacja – tworzenie hipotetycznych mieszanych orbitali elektronów atomu w cząsteczce związku chemicznego (rodzaj „orbitali cząsteczkowych”) z pojedynczych „orbitali atomowych” przez liniową kombinację odpowiednich funkcji falowych (zob. przybliżone metody rozwiązywania równania Schrödingera). Wynikiem obliczeń są „funkcje mieszane” opisujące prawdopodobne położenie poszczególnych elektronów walencyjnych w cząsteczce (orbitale zhybrydyzowane, hybrydy). Wyznaczenie hybryd orbitali elektronów walencyjnych pozwala określać możliwości tworzenia wiązań zlokalizowanych i wyznaczać kierunki wiązań sigma w przestrzeni (teoretyczna podstawa stereochemii).

    Dodano: 21.12.2009. 21:39  


    Najnowsze