Как увидели один ион (1983)

Доктор физико-математических наук Э.А.Свириденков

Сегодня известно каждому, что все тела состоят из атомов (или молекул) и что атомы имеют очень малые размеры. Однако мы привыкли иметь дело с количеством вещества, содержащим громадное число атомов (например, в 1 см.куб. воздуха при нормальных условиях содержится 2,7 х 10 в 19 степени молекул), поэтому увидеть один атом — не так просто.

Совсем недавно физикам удалось провести эксперимент, который позволил все-таки увидеть атом. Опыт основан на способности атома поглощать и затем испускать (или, как говорят физики, переизлучать) свет, частота которого совпадает с одной из собственных частот излучения данного атома. Если интенсивность излучаемого света окажется достаточно большой, свет (а значит, и атом) можно будет зарегистрировать соответствующим прибором или даже невооруженным глазом. В первых экспериментах удавалось обнаружить свечение сотен тысяч атомов, а теперь – одного-единственного атома.

В возбужденном состоянии (поглотив, но еще не излучив свет) атом может находиться в течение 10 в -8 степени секунд. Это означает, что он может в одну секунду поглотить и переизлучить 10 в 8 степени фотонов. Если из этих фотонов 10 в 5 степени попадут в глаз, этого будет вполне достаточно, чтобы увидеть светящуюся точку, то есть увидеть атом. Такое большое количество фотонов атом может получить, только если он находится в фокусе лазерного луча. Сфокусировать луч практически в точку и ввести туда атом нетрудно, но как его удержать в этой точке?

Сразу приходит мысль, что это следует сделать с помощью электрического поля. Но полем проще удерживать в равновесии заряженные частицы, вот почему эксперимент проводился не с нейтральными, а с ионизированными атомами. Остается вопрос, какое поле надо создать.

Начнем с простейшего случая — электростатического поля. Представим себе, что отрицательный ион помещают точно посередине между двумя положительными зарядами. Ион находится в равновесии, но это равновесие неустойчиво: при малейшем отклонении в сторону одного или другого заряда ион полетит к ближайшему заряду. Такая неустойчивость — общее свойство всех электростатических

полей, так что с их помощью невозможно обеспечить устойчивое равновесие заряда. Остается рассмотреть переменное поле.

Попав в переменное электрическое поле, ион начинает колебаться, то есть приобретает энергию колебательного движения, пропорциональную напряженности поля, Если создать такую конфигурацию поля, в которой есть область минимума напряженности, в этом месте ион будет обладать минимальным запасом этой колебательной энергии, то есть пребывать в состоянии устойчивого равновесия.

В опыте, о котором мы рассказываем, необходимая конфигурация поля создается так (см. рисунок ниже). Между двумя электродами, каждый из которых сделан в форме острия, помещается кольцо.

На электроды и кольцо подается переменное напряжение таким образом, что острия всегда заряжены одноименно. Силовые линии поля идут от кольца к остриям (или наоборот), а в центре кольца поле минимально. Говорят, что область в центре представляет собой ловушку для заряженных частиц. Именно сюда и фокусируется свет от лазера. Такая ловушка позволяет удерживать ион в течение нескольких десятков минут. Как только ион попадает строго в центр кольца, можно увидеть светящуюся точку. Это светится один ион.

Источник архив журнала « Квант» вып.7, 1983 год