Quali prove abbiamo dell’esistenza degli atomi?

Quello che scriverò potrà essere anche assurdo, ma ipotizziamo che il nucleo dell’atomo sia un bottone, di circa 10 mm di diametro e che gli elettroni che lo circondano occupino una sfera il cui diametro è l’equivalente di un campo di calcio che è di 110 mt, anche loro di 10 mm di diametro, questi sono i rapporti dimensionali oggi noti, e ammettendo che il nostro campo di calcio sia bianco e i bottoni abbiano un colore il più vicino possibile ad uno dei 3 del sistema RGB.

Ovviamente con la fotocamera dovrebbe avere come minimo il sensore proporzionato affinché possa rilevare un oggetto di 1 cm in un campo di 110 metri, cioè immaginate un portale che sovrasta la scena al cui centro e alto circa 100 metri applichi la fotocamera rivolta in basso e un obiettivo con un angolo di campo di almeno 95°. Tutto questo deve essere tecnicamente adatto a rendere visibile il bottone e anche i suoi elettroni che teoricamente ruotano ad un raggio di 55 m.

Ora 10 mm sono 10/1000=0,01 m, il campo di calcio è 110 m ora per sapere quanti pixel servono si fa 110/0,1=11.000 px
11.000×11.000= 121.000.000 = 121 megapixel
Ma sappiamo che il pixel sarebbe grande come il bottone non sarebbe rilevato con il colore pieno e ne posizionato proprio al centro del pixel, quindi, per affermare che quelo che si vede è il bottone servono come minimo 4 pixel, quindi, si passa a 121×4= 484 Mpx ≈ 512 Mpx. Dovranno essere fatte delle prove preliminari per verificare se il sensore ha qualche pixel difettoso per mapparlo.

Ora per non allungare troppo il brodo, tanto stiamo parlando di apparecchiature che non esistono, ma che avrebbe parametri già esplorati per la strumentazione scientifica. Tanto per venirci incontro riduciamo di un fattore 10 le dimensioni del nostro set, quindi avremo il nucleo di 1 mm e l’elettrone che sta a 5,5 m di raggio di dimensioni 1 mm, con queste condizioni possiamo portare il set all’interno di un capannone e collocare la fotocamera a circa 11≈12 m con un ottica che abbia un angolo di campo di ≥90°.

Basandosi sul sensore da 20 Mpx da 1″ sella Sony, il nostro sensore da 512 Mpx sarebbe di 127 x127 mm, dal sensore potremmo escludere comodamente i 4 angoli.

L’obiettivo dovrebbe avere una pupilla di 63,5 mm per avere un equivalente di f1 nel formato 24×36 mm, una distanza dal sensore di 63,5/2=31,75 mm ed una lente frontale approssimativamente di 250 mm di diametro.

Accettando che durante il tempo di cattura dell’immagine l’elettrone possa muoversi di 1,5 volte il suo diametro, il suddetto tempo vale 500 ps cioè 1/2×10^9 (1/2.000.000.000s).

Sensibilità ISO 409.600 (parametri fissati per interpolazione da quelli dei sensori commerciali).

Partendo dal presupposto che all’esterno avevamo la luce del sole di mezzogiorno, quindi, ISO100, 1/500s f8, aumentare sull’anello esterno di 11 m la luce di 2,5 stop e al centro di 2 stop, il resto non importa.

Ora il sensore non potrà mai lavorare come quello delle fotocamere comerciali, ma il sensore sarà con global shutter, integrazione di 500 ps, memorizzazione locale della carica, readout successivo. Il file ottenuto sarà un RAW da sottoporre ad analisi per distinguere gli oggetti dallo sfondo e dal disturbo, quindi, evidenziarli.

Altro dato che ha del fantascientifico, durante il tempo di acquisizione i fotoni (la luce) fa in tempo a percorrere solo 15 cm.

Al CERN di Ginevra nell’LHC rilevano 40 milioni di immagini al secondo, non male!

Ora dovremmo chiederci se in 500 ps, con f/1 e l’illuminazione controllata, arrivano abbastanza fotoni su ciascun pixel perché l’elettrone da 1 mm produca un segnale distinguibile dal fondo.

Altra domanda, chi chiede ad un atomo di posare per noi per il tempo che vogliamo? Ecco allora che gli scienziati si sono posti la domanda e nel 2012 hanno ottenuto il primo risultato.

Imaging di assorbimento di un singolo atomo

Questo è un ingrandimento della foto che vedete in copertina. Al centro del cerchietto rosso c’è un pixel bianco, quel pixel rappresenta l’atomo.

Questa sarebbe lo schema dell’esperimento che ha visto impegnati i ricercatori per 5 anni.

Un raffreddato al laser ¹⁷⁴Yb⁺ lo ione è confinato in una trappola di Paul a radiofrequenza formata dal quadrupolo elettrico (linee tratteggiate) tra due aghi di tungsteno. Illuminazione risonante a λ=369,5 nm viene focalizzato su un punto FWHM di 4,8 μm e assorbito dallo ione. L’ombra risultante viene ripresa con un obiettivo Fresnel a fase ad ampia apertura su una fotocamera CCD raffreddata con ingrandimento ×615 (ottica aggiuntiva omessa per chiarezza). Fonte: https://www.nature.com/articles/ncomms1944

Kielpinski e colleghi intrappolarono singoli ioni atomici di itterbio e li esposero a una specifica frequenza luminosa. Sotto la luce, l’ombra dell’atomo veniva proiettata su un rilevatore e una fotocamera digitale catturava l’immagine. Al centro del loro traguardo durato cinque anni c’è un microscopio ad altissima risoluzione, che ha reso l’ombra sufficientemente scura da essere visibile.

“Se modifichiamo la frequenza della luce che illuminiamo sull’atomo anche solo di una parte su un miliardo, l’immagine non sarà più visibile”, ha affermato.

Fonte per “Imaging di assorbimento di un singolo atomo“:
https://www.nature.com/articles/ncomms1944