ატოწამი და ნობელის პრემია

ავტორი:  Aaron W. Harrison

სანამ ამას კითხულობდით, წამის მემილიარდედის მემილიარდედი ატოწამი
გავიდა. რატომ აქვს ასეთ მცირე ვადებს გადამწყვეტი მნიშვნელობა წლევანდელი
ფიზიკის ნობელის პრემიის ლაურეატებისთვის?

ატოწამის ფიზიკაში მუშაობამ განაპირობა იმის უკეთ გაგება, თუ როგორ მოძრაობენ ელექტრონები.
სამი მკვლევარისგან შემდგარმა ჯგუფმა მოიპოვა 2023 წლის ნობელის პრემია
ფიზიკაში იმ სამუშაოსთვის, რომელმაც მოახდინა რევოლუცია მეცნიერების მიერ
ელექტრონების შესწავლის საკითხში – მოლეკულების განათებით ატოწამის
სიგრძის სინათლის შუქით. მაგრამ რა სიგრძისაა ატოწამი და რა შეუძლიათ ამ
უსაზღვროდ მოკლე იმპულსებს, უამბონ მკვლევარებს მატერიის ბუნების
შესახებ?
პირველად შევიტყვე კვლევის ამ სფეროს შესახებ, როგორც ფიზიკური ქიმიის
ფაკულტეტის კურსდამთავრებულმა. ჩემი სადოქტოროს ხელმძღვანელის
ჯგუფს ჰქონდა პროექტი, რომელიც ეძღვნებოდა ქიმიური რეაქციების შესწავლას
ატოწამიანი იმპულსებით. სანამ გავიგებდეთ, თუ რატომ მოჰყვა ატოწამის
კვლევას მეცნიერებაში ყველაზე პრესტიჟული ჯილდო, ის გვეხმარება იმის
გაგებაში, თუ რა არის სინათლის ატოწამის იმპულსი.
,,ატო” არის სამეცნიერო ჩანაწერის პრეფიქსი, რომელიც წარმოადგენს 10^-18, ეს
არის ათობითი წერტილი, რომელსაც მოსდევს 17 ნული და 1. ასე რომ, სინათლის
გაელვება, რომელიც გრძელდება ერთი ატოწამი, ან 0.000000000000000001 წამის
განმავლობაში, სინათლის უკიდურესად მოკლე იმპულსს წარმოადგენს.

სინამდვილეში, ერთ წამში დაახლოებით იმდენი ატოწამია, რამდენი წამიცაა
სამყაროს შექმნიდან დღემდე.
ადრე მეცნიერებს შეეძლოთ შეესწავლათ უფრო მძიმე და ნელა მოძრავი ატომის
ბირთვების მოძრაობა ფემტოწამიანი (10-15) სინათლის იმპულსებით. 1
ფემტოწამში არის ათასი ატოწამი. მაგრამ მკვლევარებმა ვერ დაინახეს მოძრაობა
ელექტრონულ შკალაზე მანამ, სანამ არ შეძლეს ატოწამიანი სინათლის
იმპულსების წარმოქმნა – ელექტრონები ძალიან სწრაფად მოძრაობენ იმისთვის,
რომ მეცნიერებმა ზუსტად გააანალიზონ, თუ რის გაკეთებას აპირებენ ისინი
ფემტოწამის დონეზე.
ატომებსა და მოლეკულებში ელექტრონების გადაწყობა წარმართავს უამრავ
პროცესს ფიზიკაში და ის ემყარება ქიმიის თითქმის ყველა ნაწილს. აქედან
გამომდინარე, მკვლევარებმა დიდი ძალისხმევა გამოიყენეს იმის გასარკვევად,
თუ როგორ მოძრაობენ და გადაეწყობიან ხოლმე ელექტრონები.
თუმცა, ელექტრონები ძალიან სწრაფად მოძრაობენ ფიზიკურ და ქიმიურ
პროცესებში, რაც ართულებს მათ შესწავლას. ამ პროცესების გამოსაკვლევად
მეცნიერები იყენებენ სპექტროსკოპიას, მეთოდს იმის შესამოწმებლად, თუ
როგორ შთანთქავს ან ასხივებს მატერია სინათლეს. იმისთვის, რომ რეალურ
დროში თვალყური ადევნონ ელექტრონებს, მკვლევარებს სჭირდებათ სინათლის
იმპულსი, რომელიც უფრო მოკლეა, ვიდრე ელექტრონების გადაწყობისთვის
საჭირო დრო.
ანალოგიურად, წარმოიდგინეთ კამერა, რომელსაც შეუძლია მიიღოს მხოლოდ
ხანგრძლივი ექსპოზიცია, დაახლოებით 1 წამის ხანგრძლივობით. მოძრაობაში
მყოფი საგნები, მაგალითად, ადამიანი, რომელიც კამერისკენ გარბის ან ცაში
მფრინავი ჩიტი, გადაღებულ ფოტოებზე ბუნდოვანი გამოჩნდებოდა და ძნელი
იქნებოდა იმის ზუსტად დანახვა, თუ რა ხდებოდა იმ წუთში.
შემდეგ წარმოიდგინეთ, რომ იყენებთ კამერას 1 მილიწამის ექსპოზიციით. ახლა,
მოძრაობები, რომლებიც ადრე დაბინდული იყო, ადვილად გადაიქცევა ნათელ და
ზუსტ კადრებად. აი, როგორ შეუძლია ატოწამის სკალის გამოყენებას და არა
ფემტოწამის სკალას, ნათელი მოჰფინოს ელექტრონის ქცევას.

ატოწამის კვლევა

მაშ, რა სახის კვლევით კითხვებზე შეუძლია პასუხის გაცემა ატოწამის
იპულსებს?
ერთის მხრივ, ქიმიური ბმის გაწყვეტა ფუნდამენტური პროცესია ბუნებაში,
როდესაც ორი ატომის საზიარო ელექტრონები იყოფა შეუკავშირებელ ატომებად.

ელექტრონები, რომლებიც ადრე საერთო იყო, ამ პროცესის დროს განიცდიან
უსწრაფეს ცვლილებებს, ხოლო ატოწამიანმა პულსებმა მკვლევარებს საშუალება
მისცეს, თვალყური ედევნებინათ რეალურ დროში ქიმიური ბმის რღვევისთვის.
ატოწამიანი იმპულსების წარმოქმნის შესაძლებლობა – კვლევა, რომლისთვისაც
სამმა მკვლევარმა მოიპოვა 2023 წლის ნობელის პრემია ფიზიკაში – პირველად
შესაძლებელი გახდა 2000-იანი წლების დასაწყისში და მას შემდეგ ეს სფერო
აგრძელებს სწრაფ ზრდას. ატოწამის სპექტროსკოპია, ატომებისა და
მოლეკულების მოკლე კადრების უზრუნველყოფით, დაეხმარა მკვლევარებს,
გაეგოთ ელექტრონების ქცევა ცალკეულ მოლეკულებში, მაგალითად, როგორ
გადაადგილდება ელექტრონული მუხტი და როგორ იშლება ატომებს შორის
ქიმიური ბმები.
უფრო ფართო მასშტაბით, ატოწამის ტექნოლოგია ასევე გამოიყენება იმის
შესასწავლად, თუ როგორ მოძრაობენ ელექტრონები თხევად წყალში, ისევე
როგორც მყარი მდგომარეობის ნახევარგამტარებში. როდესაც მკვლევარები
აგრძელებენ ატოწამიანი სინათლის იმპულსების წარმოქმნის უნარის
გაუმჯობესებას, ისინი უფრო ღრმად გაიგებენ მატერიის შემადგენელი ძირითადი
ნაწილაკების შესახებ.

წყარო: livescience.com