سرانجام اولین تصویر از اتم گرفته شد

اتم‌ها واقعا کوچک‌‌‌ هستند، بسیار کوچک‌تر‌ از آنچه که شما فکر کنید. هرگز با چشمان غیر‌ مسلح قادر به دیدن آن نخواهید بود و حتی با قوی‌ترین میکروسکوپ‌ها نیز دیدن آنها تقریبا امکان‌پذیر نیست.

حداقل این حقیقت تاکنون درست بوده اما اخیرا در یک تصویر، عکسی از یک اتم تنها در حالی که درون یک میدان مغناطیسی شناور است، نشان داده شده و خوشبختانه آنقدر بزرگ هست که حتی بدون هیچ نوع میکروسکوپی قابل دیدن باشد.

این عکس توسط دیوید نادلینگر (David Nadlinger) گرفته شده که نام آن را “اتم تنها در یک تله یونی” گذاشته است که در مسابقه عکاسی انجمن علمی تحقیقاتی فیزیک و مهندسی (Engineering and Physical Sciences Research Council) یا EPSRC سال ۲۰۱۸ حایز رتبه برتر شد. در عکس شما شاهد یک تک اتم از عنصر استرانسیم (Strontium) هستید که درون یک میدان مغناطیسی قدرتمند که توسط لیزر‌ها ایجاد شده، قرار گرفته و موجب انتشار نور شده است.

با اینکه اتم اکنون قابل مشاهده شده اما هنوز هم آن‌قدر واضح نیست که به آسانی دیده شود. اگر شما با دقت به مرکز تصویر نگاه کنید، یک نقطه آبی رنگ ضعیف را خواهید دید. این نقطه آبی همان اتم استراتسیم است که توسط یک لیزر با اشعه آبی- بنفش روشن شده است.

از این دستگاه خاص به دلیل اندازه اتم استرانسیوم استفاده شده است، اتم استرانسیوم دارای ۳۸ پروتون بوده و قطر اتم استرانسیوم تنها چند میلیونیوم یک میلی‌متر است و خب طبیعتا باز هم بسیار کوچک‌تر از آن است که بتوان آن را دید، به خاطر همین با به‌کارگیری این سیستم هوشمندانه و درخشان‌تر کردن اتم، دیدن آن را امکان پذیر کرده‌اند.

اتم استرانسیوم موجود در این تصویر، با لیزر‌های بسیار قدرتمند مورد اصابت قرار داده شده که موجب می‌گردد الکترون‌هایی که به دور هسته در حال چرخش هستند، انرژی بیشتری بگیرند. گاهی اوقات این الکترون‌های دریافت کننده انرژی، از خود نور ساطع می‌کنند. پس تنها کار لازم برای مشاهده اتم، بالا بردن سطح انرژی الکترون‌ها در اطراف اتم به میزان کافی است تا از خود نور منتشر کنند و بتوان با یک دوربین معمولی از اتم تصویربرداری کرد.

با این حال این بدین معنا نیست که شما قادرید با چشم غیر مسلح اتم را ببینید، زیرا این تصویر یک عکس با نوردهی طولانی مدت است به این معنی که حتی با وجود نور لیزری قدرتمند، باز هم بدون تجهیزات خاص، نور حاصله بسیار ضعیف‌تر از آن است که شما بتوانید در همان زمان، نور ایجاد شده را ببینید. اما در هر حال با توجه به اینکه اتم بسیار کوچک‌تر از آن است که شما در طول زندگی خود با آن برخورد مستقیم داشته باشید، باید اقرار کرد که این تصویر نزدیک‌ترین و بهترین نمای موجود از یک اتم است که احتمالا تاکنون مشاهده کرده‌اید.

نوشته سرانجام اولین تصویر از اتم گرفته شد اولین بار در پدیدار شد.

رمزگشایی ماده خیالیِ پاد ماده توسط دانشمندان علم فیزیک

دانشمندان مرکز تحقیقاتی سرن برای اولین بار درون پاد ماده را رمز گشایی کردند. پاد ماده چیزی بیش از یک مفهوم علمی تخیلی است که دانشمندان را در مسیر علم می راند. در واقع این ماده یک عضو واقعی و بسیار کوچک در عالم هستی است. در حالی که پاد ماده بسیار نادر است اما در شرایط مناسب می تواند وجود داشته باشد. اطلاعات در خصوص نحوه رفتار پاد ماده ابزار قدرتمندی در خصوص آزمایش مدل استاندارد در فیزیک ذرات که ما هم اکنون از آن برای درک بهتر نیرو هایی که در نحوه رفتار ذرات موثر هستند استفاده می کنیم، ارائه می کند.

پاد ماده نخستین بار در سال ۱۹۲۸ توسط فیزیکدان انگلیسی پاول دیراک پیش بینی شد. او پیشنهاد کرد که هر یک از ذرات ماده می بایست که پاد ماده مرتبط با خود داشته باشند. این پاد ماده ها در همه جوانب کاملا مشابه با  همتای ذره ای شان هستند به غیر از بار شان. به عنوان مثال، پاد ماده ی الکترون دارای بار منفی، آنتی الکترون بار مثبت که پازیترون نیز نام دارد می باشد. هنگامی که ماده و پاده رو به روی یکدیگر قرار می گیرند آن ها یک دیگر را نابود کرده و تنها یک انرژی را باقی می گذراند. انفجار بزرگ ( بیگ بنگ) می بایست تعداد برابری از ماده و ضد ماده به جای گذاشته باشد اما امروزه جهان ما توسط ماده احاطه شده است و مقدار بسیار کمی از پاد ماده باقی مانده است. درک این موضوع قدمی عظیم در درک بهتر منشا و تکامل جهان هستی می باشد. با این حال، پاد ماده ای که به صورت طبیعی به وجود می آید  اغلب به سرعت پس از رویارویی با ماده جهان از بین می رود. هم اینک، فیزیک دان های ذره ای هر از گاهی می توانند در مرکز کاهنده ضد پروتونی سرن به صورت موقت پاد ماده را برای تحقیقات تولید کنند، که همین موضوع منجر به رسیدن به دستاورد های نوینی در خصوص رفتار و مشخصه های پاد ماده شده است.

پادماده

در مقاله ای که اخیرا توسط Nature  منتشر شده است، بخش ALPHA مرکز سرن اخیران اعلام کرده است که موفق شده است خط طیفی اتم پاد هیدروژن را اندازه گیری کند. این نتیجه بدست آمده در اثر ۲۰ سال تحقیق و تلاش است و از طریق لیزری برای مشاهده انتقال اتمی ۱S-2S در پاد هیدروژن بدست آمده است. در محدودیت های آزمایش، نتایج بدست آمده توسط ALPHA این انتقال در هیدروژن و پادهیدروژن کاملا مشابه است، این شرایط در مدل استاندارد ذکر شده است. اگر این انتقال ها با یکدیگر متفاوت بودند، درک فعلی ما از علم فیزیک بهم میریخت.

انتقال ۱S-2S یکی از انتقال هاییست که در طیف هیدروژنی وجود دارد. هنگامی که الکترون ها توسط تابشی به نام “ریزش” از سوی درجات بالاتر انرژی در اتم به سمت درجات پایین تر انرژی ساتع می شود یک طیف ایجاد می شود. این پروسه در طول موج های دقیقی تولید انرژی می کند. هر یک از عناصر طیفی منحصر به خود تولید می کند که مانند اثر انگشتی برای هرکدام است. منجمان اغلب از این طیف ها برای تعیین ترکیب یک شی بر اساس نوری که تولید می کند استفاده می کنند.

برای دیدن انتقال ۱S-2S در پاد هیدروژن، تیم ALPHA نخست می بایست آنتی اتم تولید کرده و آن ها را پایدار نگه دارد که به هیچ وجه کار آسانی نبود. دستور العمل ALPHA برای ساخت پاد هیدروژن شامل ترکیب پلاسما های شامل پاد پروتون و پوزیترون ها بوده است که منجر به ساخت پاد هیدروژن شوند.  پاد اتم های حاصله  به صورت مغناطیسی به دام می افتند تا برای آزمایش استفاده شوند. از تعداد اولیه ۹۰ هزار پاد پروتون، محققان موفق شدند  ۲۵ هزار اتم آنتی هیدروژن تولید کنند و از میان  آن ها در هر مرحله تنها ۱۴ آنتی اتم به دام افتادند. با تاباندن نور به اتم های پاد هیدروژن توسط لیزر تا دقیقا همان مقدار انرژی لازم به آن منتقل شود تا انتقال صورت گیرد، محققان توانستند انتشار بدست آمده را مشاهده کنند تا در آن به دنبال تفاوت در قیاس با هیدروژن معمولی بگردند.

نتایج بدست آمده به همراه نتایجی که از دیگر آزمایش های انجام شده توسط ASACUSA و BASE انجام گرفتند نشان دهنده پیش رفت چشمگیر سرن در زمینه تحقیقات پاد ماده هستند.

آیا تا پیش از این، با مفهوم پاد ماده آشنا بوده اید؟ نظر خود را در باره این مطلب علمی با گویا آی تی در میان بگذارید و این مقاله را برای علاقمندان علم فیزیک و اختر فیزیک بر روی شبکه اجتماعی نشر دهید.

منبع:astronomy.com