Американским учёным удалось на практике реализовать простейшую модель атома, в которой электрон обращается вокруг ядра как планета вокруг звезды.

Первая модель строения атома, предложенная Э. Резерфордом в 1911 году, основывалась на представлении об атоме как об уменьшенной копии Солнечной системы: основная масса сосредоточена в ядре, а электроны вращаются вокруг него по планетарным (эллиптическим) орбитам. Сразу же после формулировки этой модели были высказаны большие сомнения в её справедливости, основанные на том, что она не позволяла объяснить экспериментально наблюдаемые спектры испускания атомов (и, в частности, - открытую ещё в 1888 году ридберговскую серию линий в атоме водорода). Чтобы привести теорию в согласие с экспериментом, Н. Бор в 1913 году постулировал квантование момента импульса электрона в атоме, из чего следовал вывод о дискретности радиусов электронных орбит. И лишь после создания основ квантовой механики стало понятно, что электрон в атоме следует рассматривать не как планету, движущуюся вокруг светила-ядра по классической орбите, а скорее как некое размытое облако. Квантовая механика смогла не только объяснить электронную структуру огромного числа атомов и молекул, но и предсказала множество новых эффектов, впоследствии обнаруженных экспериментально. Однако это, само по себе, отнюдь не делает её лёгкой для восприятия; современные представления о строении атома сильно потеряли в наглядности со "старой доброй" планетарной моделью.

"Компенсировать" этот недостаток решили учёные из Университета Вирджинии (США). Они "сконструировали" классические резерфордовские атомы лития, в которых электроны не размазаны в окрестности ядра, а обращаются вокруг него подобно классическим частицам. Чтобы изготовить такие атомы, нужно локализовать электронное облако на орбите, то есть сформировать волновой пакет из когерентной суперпозиции волновых функций. Это достигается путём действия на атомы пикосекундными или фемтосекундными лазерными импульсами, которые возбуждают электрон в область энергий с большими значениями главного квантового числа n, где электронные уровни расположены очень густо (чем больше состояний в волновом пакете, тем лучше он локализован). Орбитальная (кеплеровская) частота пакета при этом равна f_K = D e/h, где D e – разность энергий соседних состояний, формирующих волновой пакет. Поскольку энергия связи электрона в атоме E_b = Ry/n², где Ry – постоянная Ридберга, то D e >> 2Ry/n³ для n >> 1, так что при n = 70 частота f_K = 19.2 ГГц находится в СВЧ диапазоне. Однако из-за дисперсии f_K и эффектов дефазировки уже через несколько десятков оборотов вокруг ядра волновой пакет размывается. Чтобы его уберечь, на атом воздействуют слабым микроволновым полем, осциллирующим с частотой f_K. Это поле синхронизирует движение электрона и не даёт пакету расплываться в течение нескольких тысяч периодов его обращения по орбите, что уже может оказаться достаточным для ряда практических приложений (например, для обработки информации).

В атоме лития над заполненной 1s-оболочкой имеется один валентный электрон. Его и забрасывали на кеплеровскую орбиту американские учёные. При этом было показано, что плавное изменение частоты стабилизирующего поля позволяет изменять орбитальную частоту электрона, а значит – и размеры его орбиты. Так, например, понижение частоты от 19 ГГц до 13 ГГц приводит к увеличению n от 70 до 79, о чем свидетельствуют результаты измерения энергии ионизации. Одним из интересных возможных приложений развитой методики может стать контролируемый перевод атомов антиводорода, образующихся в состоянии с большим n (см. наши новости "Много холодного антиводорода в ЦЕРНе" и "Новый метод получения холодного антиводорода"), в состояния с низкими n.

Источник информации - бюллетень ПерсТ, выпуск 7 за 2005 г.