Ученые из Германии и Австрии заявили, что им удалось получить трехмерное изображение электронных орбиталей в атоме. Ранее это считалось невозможным из-за квантовых эффектов. О своем достижении немецко-австрийская коллаборация ученых из Университета Граца, Исследовательского центра Юлиха, а также Немецкого национального метрологического университета объявила в соответствующем пресс-релизе.

Для получения объемного изображения использовался метод фотоэлектронной спектроскопии. Этот метод основан на явлении фотоэффекта, при котором фотоны достаточной энергии способны выбивать из атомов электроны. Причем чем больше энергия фотона, тем "глубже" он способен проникнуть в атом и, соответственно, выбить электрон с более "низкой" орбитали.

С помощью метода электронной спектроскопии ученым из этой же исследовательской группы ранее уже удалось "сфотографировать" атомные орбитали. Для этого молекулы тонкого слоя серебра подвергались бомбардировке фотонами, которые выбивали оттуда электроны. Измеряя угловое распределение и энергии электронов, физики получали информацию об орбиталях, из которых вылетали электроны.

Чтобы добавить третье измерение, ученым пришлось изменять энергию бомбардирующих атомы фотонов, то есть изменять длину излучаемого света. Этот метод можно сравнить с изменением фокусировки камеры – увеличивая энергию фотонов, ученые как бы лучше всматривались внутрь молекул.

Основной проблемой для исследователей явился подсчет испускаемых фотонов. Вместе с изменением их энергии интенсивность излучения фотонов также меняется, а для построения точной трехмерной модели нужно с максимальной точностью знать абсолютное число бомбардирующих атомы фотонов.

В этом ученым помогла установка из Немецкого метрологического института, которая является одной из немногих в мире, способной к излучению точно откалиброванного потока фотонов. На основе полученных данных ученые смогли восстановить распределение электронов в трех измерениях. Полученное исследователями изображение действительно отображает орбитальное устройство атома.

Обычно считается, что наличие орбиталей в атомах – это лишь приближенная к реальности модель. Согласно вероятностным законам квантовой механики, электрон находится в атоме в гораздо более сложном состоянии – он не занимает определенного положения в пространстве, а ему просто соответствует конкретное значение энергии. По словам ученых, с помощью исследования им удалось подтвердить орбитальную концепцию и косвенным образом пронаблюдать, каким образом реально распределена волновая функция электрона в атоме.