Isiklikust füüsikahuvi algusest

Ma olen vist üle 10 aasta üritanud vahel hobikorras füüsikas avastusi teha kuid imelikum läbimurde moment oli ~9-10 aastat tagasi. Nüüd kirjutan sellest, sest esimest korda on kindlam tunne, et oskan seda konkreetsete nähtustega seostada. Veidi naljakas oli see, et avastuse hetk oli umbes 23.00 ja mõtlemisjada kestis võib-olla viieni hommikul ning selle aja sees sain enda jaoks paika enamuse oletustest selliselt, et järgnevat mitu aastat ei lisanud sellele palju juurde ning alles pärast selle lehekülje alustamist sain lahti paljudest olulistest lünkadest. Meeldiva järjepidevusega on suvega õpitu meeldivalt loogiliselt sellega kokku sobinud. Veidi teistmoodi eksperimendina vaatan, kas see annab ideid teistele füüsikast kiiremalt aru saamiseks või teooriate loomiseks.

Eelnevalt olin põhiliselt gravitatsiooni põhjusele mõelnud ja sellel ööl tekkis mõte, et gravitatsiooni tekkepõhjuseks võib olla millegi vool massi omavasse. See sissevool toimuks seejuures millegi keerise laadse sissse. Keeris osaliselt selle pärast, et need tekivad vedelikes ja gaasides väga kergesti olles lainete kõrval ühed vähesed stabiilsemad nähtused sellistes keskkondades. Need võisid alata osakeste külgi riivavate kokkupõrgetega mis tekitavad pöörlemist ning kui tekib keerlemine ümber hõredama keskkoha siis takistab see otseseid kokkupõrkeid keerise keskosaga pannes lähenevaid objekte keskosa ümber pöörlema koos keskosa lähedal oleva kiire tiirleva massiga.
Ainsa kindlamalt keerise laadse nähtuse avastasin enda jaoks alles sellel suvel seoses magentväljaga. 

Ülemistel piltidel on elektronkiired magnetväljas. Magnetväli põhjustab laenguga osakeste tiirlemist muutmata nende kiirust. Kui laenguga osake on magentväljaga ristisuunas liikuv, siis hakkab see ringis tiirlema ning teiste nurkade all liigub see spiraalselt.
Kõik teadaolevad osakesed on magnetvälja poolt mõjutatavad. Neutronitel sarnaneb pooluste orientatsioon võrreldes pöörlemise suunaga elektronide omaga ning prootonil erineb see eelnevast kahest (magnetic moment). Sellest sõltub mis suunas on nende poolused võrreldes pöördimpulsiga.



Vähem kindlad oletused:

Gravitatsiooni põhjustava sissevoolu ajal sisse voolajaks ei paista midagi osakese laadset kuid see võis olla midagi vaakumit täitvat. Selle olemus on siiani üliähmane. Esialgu nimetasin selle fundamentaalmatreeriaks (FM) mille tihenemine moodustaks osakesi näiteks elektronidest prootoniteni ning milleks aatomid tagasi laguneks ülienergilistel kokkupõrgetel.

Osakestes olevad keerised võivad olla spinni ja teiste pöördimpulsi laadsete nähtuste tekitajad kuid nende väga ebaühtlased massid võivad tähendada, et FM hoiavad tihedalt koos ka mingid teised nähtused. Stabiilseimad osakesed võivad olla ka kera kujulised olles koos oma massi mõjul.  

Keerist võib alal hoida juba see, et keskosale lähemale saamiseks peab olema kiire ning varem keskele jõudnud massi eemaldatakse näiteks keskmise tühjema keerise südamikuga. Kui millelgi õnnestub sinna saada, siis tõenäoliselt peegeldub see tihedamatelt tunneli külgedelt väljudes vabamalt keerise otstest.

Kui prootonis +1 laemg peaks olema sarnaselt neutrontähega väljuv juga, siis võib see selgitada nende tugevat omavahelist mehhaanilist tõukumist. Elektronide puhul võib tõukumise põhjuseks olla eraldunud kogumi edasine paisumine.

Elementaarlaeng võib olla sama arvulise väärtusega + ja - laengu korral, kui üks saab teisest materjali koguda kindla stabiilse kiirusega mistõttu saab osakestel mõõta +1 või -1 jagu laengut.

Mõne osakese suurem aktiivsus magnetväljas võib tekkida nendes endis olevate keeriste lisanduva liikuma paneva jõu tõttu. Neutronil võib see puududa erinevalt elektronist või prootonist.

Tõenäoliselt esineks lisaks teistele keeristele ka Karman'i keerise laadseid nähtuseid või rõngaskeeriseid.

FM võib olla universumi paisumise põhjustaja surudes galaktikaid laiali. Näiteks kui need paisuvad suurtest pimedatest galaktikaklastrite vahelistest tühimikest galaktikate suunas hakates lõpuks tihedamates alades neelduma kuid omades seejuures piisavalt inertsi galaktikate edasi lükkamiseks. Galaktikatest läheb nendesse tühimikesse footoneid mille lainepikkust võib paisumine suurendada. FM allikaks vaakumis võivad olla osakestelt eraldunud footonid, neutriinod ja massi energiaks lagunemisel vabanenud energia.

FM olemuse osas tekkis sel ööl ruttu kahtlus, et seda võib vähemalt mõtteeksperimentides asendada teatud ruumiga ühes silmaga tajumatus vaatepunktis.
Arvutisimulatsioonis võib lihtsustatult kasutada kahte perspektiivi. Ühes oleks mõõdud umbes nagu need igapäevaelus paistaks ja teises oleks ruumi ja mass samas rollis. Liikumiskiirus on ühtne läbi selle teise "ruumi". Näiteks valguse/suvalise asja kiirus on 1 ühik sekundis ja mõnes kohas on liikumine üle tuhande korra aeglasem kuna tuhandeid kordi rohkem pikki kohti on vaja läbida. Mida tühjem keskkond seda kiirem valgus ja mida tihedam seda aeglasemalt ning raskemini läbitav on see valguse ning osakeste jaoks.
Kui osake tekib siis peab FM kokku suruma ja kui osake laguneb tagasi FM'ks, siis muutub see tagasi ruumiks olles omamoodi lööklaine põhjuseks (asjad lendavad lagunedes kuni valguse kiirusel eemale, sest lagunemiskohas tekib suur tühimik uue ruumina).
Gravitatsiooni korral toimub aeglane asjade kogunemine ühte kohta, sest FM neeldumisel neeldub praktikas ruum, mis kaotaks järjepidevalt massiivsete objektide vahelist ruumi.

Elektronide rollis osakesed laguneks hajusalt tagasi ruumiks ning see takistaks aatomite kokkupõrgetel edasist lähenemist ruumi tekkel nende vahel kuigi aatomitel poleks takistusi tagasi põrkamisel. Elektronala paisumine saaks tuuma osakestele survet avaldada ja seda koos hoida sõltumata välisest tihedusest. Kui elektronid puuduvad nagu neutronitel, siis võivad kokkupõrked piisavalt FM lahti lüüa, et põhjustada uute elektronide teket (neutroni lagunemine keskmiselt 15 minutiga prootoniks ja elektroniks).
Neutriinode asemel võib lagunemisel puuduv mass vabaneda FM kujul.

Vaakumis võib olla mingisugune elektromagnetlainete läbimist limiteeriv takistus, mis põhjustab piisavalt tiheda kiirgusega äärmisel juhul aeglasemate elektronide või prootonite teket ning blokeeriks osakeste kiirendamist valguse kiiruse lähedale. See takistus põhjustaks ka massiivsete osakeste teket piirates nende laiali hajumist kui näiteks piisavalt kiiresti elektromagnetkiirgust läbi juhtida või interferentsiga võimendada.

Magnetismi liikidest

Materjalid jagunevad vastavalt välisele magnetväljale kaasnenud reaktsioonidele 3 põhigruppi. Diamagnetism esineb nõrgalt kõigil materjalidel ning see põhjustab magnetväljast eemaldumist. Kui ainel esineb teisi magentismi vorme, siis varjutavad need ära diamagneetilise käitumise kuid nende omaduste puudusel on tegu diamagnetiga. Diamagneetilisteks aineteks on plastikud, üldiselt elusolendid, vask, vesi ja klaas. Paramagnetism põhjustab välise magnetvälja mõjul samasuunalist magnetiseerumist materjalis endas. Ferromagnetism esineb põhiliselt raua ja nikli laadsetel ainetel tekitades nendes tihti püsivat magnetvälja ja välise magnetvälja korral võib neis toimuda magnetiseerumine, mis võib olla välisest magnetväljast tuhandeid kordi tugevam. Koos magneetiliste domeenide joondumisega välise magnetvälja mõjul kaasneb ferromagnetitel ka mõõtude muutumine, mis põhjustab näiteks rauas 60 Hz vahelduvvoolu mõjul 120 Hz suminat mõõtude vahelduva muutumise tõttu. 
Diamagnetismi korral tekib materjalis välise magnetvälja mõjul sisemine magnetväli, mis blokeerib välist magnetvälja. Elektrijuhid mõjuvad diamagneetiliselt kui nende ümber toimub kiire magnetvälja muutumine kuna juhtmes tekkiv magnetväli hoiab ennast mõnda aega alal. Ülijuhid on äärmuslikumad diamagnetid kuna nendes võib vool takistuseta püsida.
Kõik aatomid tekitavad magentvälja elektronide liikumise tõttu. Enamasti need summutavad üksteist vastastikku kuid paramagnetites ei blokeeri need üksteist nii põhjalikult.


Aatomites tekitavad magentvälju liikuvad laenguga osad nagu elektronid ja prootonid. Väline magnetväli avaldab mõju kohalikule magnetväljale tekitades välist magnetvälja tõrjuvat reaktsiooni.

Seda võib illustreerida näiteks positiivsete laengutega. Kui vaataja asub magnetilises põhjapooluses ja tema ees on magnetiline lõunapoolus, siis risti nende kahe pooluse vahelt läbi lendav positiivne osake hakkab magnetvälja mõjul selles vaatepunktis vastupäeva liikuma (elektron liiguks sellises olukorras kellaosuti suunas) muutmata selle mõjul kiirust. Positiivne osake tekitab magnetvälja parema käe haarde reegli järgi kus sirutatud parema käe põidla suunas liikuv osake tekitab magnetilise pooluse magnetvälja, mis on kõverdatud sõrmede suunas. Ringis vastupäeva liikudes näitaks need sõrmed ringi seest vaataja suunas ning ringis tekkinud põhjapoolus osutaks vaataja poolse magentilise põhjapooluse suunas tekitades tõukuva reaktsiooni. Elektronidega oleks tulemus sama. 
Diamagnetites on tõenäoliselt olulisemad elektronide magnetväljad, sest elektronid varjutavad prootonite tekitatud elektromagneetilisi nähtuseid.

Paramagnetites ei summuta aatomite magnetväljad üksteist väga põhjalikult kuid nende orientatsioonid on kaootilised soojusliikumise tõttu. Välise magnetväljaga saab panna nende orientatsiooni ajutiselt osaliselt joonduma. Püsimagnetites suudavad magnetilised poolused toatemperatuuril ühiselt joonduda kuid piisava temperatuuriga (aine Curie temperatuur) kaotavad need oma ferromagneetilise käitumise saades temperatuurivahemiku tõttu paramagnetiteks.

Magnetismile panustavad paaritud elektronid nagu näiteks üksikus vesiniku gaasis olev elektron. H2 vesiniku molekulis on elektronidel paariline ja magnetism asendub diamagnetismiga. Liitiumi aatomis on keskel 2 paaris elektroni, mis mõjuvad diamagneetiliselt ja välispinnal 1 paaritu elektron, mis lisab nõrgalt magnetvälja. Tugevamates magnetites on tavaliselt aatomeid, mille pinnal võib olla kuni 7 paaritut elektroni.

Pöördimpulsist

Pöördimpulss tekib pöörlevates objektides säilitades nende asendit pöörlemistelje ümber. Näiteks püsti seisev vurr ei vaju selle mõjul ümber kuid see toimib ka siis, kui pöörlemistelg on horisontaalne ning objekti hoiab üleval telje üks ots nagu ülalolev ratas nööri otsas. Selliseid objekte saab lihtsamalt liigutada paljudes suundades kuid stabiliseeriv toime mõjub jõudude vastu, mis üritavad muuta pöörlemistelje enda nurka. Stabiilsus suureneb kiirema pöörlemisega.

Pöörlemisse lisatud inerts on tavaliselt piisav, et kogu objekt kaugele visata. Lihtsustatult peab tasakaalustavas pöörlemises olema piisavalt energiat, et gravitatsiooni mõju neutraliseerida. Pöörete arv ületab tihti 50 pööret sekundis. Pöörleva osa kiirus ja mass on inertsi jaoks võrdselt olulised.  


Pöörlemise stabiliseeriv toime seisneb osaliselt selles, et see ei jäta välistele jõududele eriti aega objekti asendi muutmiseks. Näiteks tasakaalus objekt ei kuku ümber, sest gravitatsioon avaldab umbes võrdset mõju selle kõigile osadele ning pole võimalust objekti ühest kohast tasakaalust välja tõmmata. Pöörlemisel võib objekt olla kaldus ning gravitatsioon saab seda veidi rohkem selles suunas tõmmata kuid pool ringi hiljem on pöörleva osa kõik piirkonnad vastasküljel ning gravitatsiooni mõju võib obkjekti tõmmata hoopis selles suunas, millest gravitatsioon üritas seda pool ringi tagasi eemale tõmmata.

Välised jõud nagu gravitatsioon ja magnetväli tekitavad pöörlemistelje kõikumist ümber selle jõu mõjusuunda kirjeldava sirge. Vurris väljendub see pöörelmistelje kõikumisena ümber gravitatsiooni mõjusirge ning aatomites elektroni või tuuma pöördimpulsi kõikumist ümber magnetvälja. Mõlemasse mõõtkavasse jäävad pöörlemised hakkavad tugevamalt ja kiiremini kõikuma pöördimpulsiga võrreldes suhteliselt tugevneva välise jõu korral.  
Kui sain õigesti aru, siis kõikumise mõju võib väljenduda spektrijoonte lahknemisega. Mida tugevam on väline magnetväli seda rohkem eemalduvad algsest spektrijoonest tekkinud spektrijooned üksteisest.

Pöördimpulsi ühikuks on dzauli sekundis või njuutonmeeter sekundis.
Aatomi sisestel osakestel (prootonid, neutronid, kvargid ja elektronid) on spinnid, mis ei erine sujuvas vahemikus vaid mille suurus on alati võrdne täisarvulise korrutisega redutseeritud planck'i konstandist (6.58211928(15)×10⁻¹⁶ eV·s), mis on võrreldav ~1/6 ühe hertsilise elektromagnetkiirguse energiaga.

Orbiidi ja pöörlemise pöördimpulsside valemid. Mõlemal juhul peab teadma objekti inertsi ja kiirust ning mõlema pöördimpulsi väärtuseid saab omavahel liita. Vähemalt astronoomias on taevakeha pöördimpulss jaotunud nende kahe vahel. Kui planeedi orbiit paistab arvatust aeglasem, siis võib objekti ümber olla näiteks kuu, mis omab osa pöördimpulsist.

Klipp pöördimpulsist.
Näide raskema objekti stabiilsusest.
Näide arvuti kõvaketta pöörlemisega stabiliseeritud laserist.


Põlve kõrguses täpsustamata massi ja kuni 50 pöördega sekundis pöörlev ketas võib normaalkaaluga maadelja jaoks ümber lükkamiseks liiga stabiilne olla. Ma leidsin ainult ühe näite sellest aga see on torrent'i failina saadaval. Võib-olla on siinkohas õigustatud ettekäändeks hariduslik illustratsioon. 
Pöördimpulsi osa jääb 18.-23. minuti vahele. Pöörlev osa oli metallkesta sees ning osalejad võisid oma raskusega sellele toetuda. Seda oli suhteliselt lihtne maapinnal libistada ja üles tõsta kuid kalde muutmine oli maa peal ja õhus väga raske. Pöörlemise inertsi võrreldi väikese autoga, mis liikus ~20 km/h. Sellest piisas, et ratta külili panek oli osalejatele esimese 15 sekundiga saavutamatu kuid 45 sekundiga oli see aeglustumise tõttu tehtav. ~20 sekundiga saadi see ratas ~45 kraadise nurga alla, kuid see võis nurka säilitades ringi veereda. Isegi kui see oli peaaegu horisontaalne (~10-20 kraadi puudus) tõstis üks selle üles ja ka põrgates maha kukkudes säilitas see oma kallet.   

Pöördimpulsi leidmiseks vajalikku pöördkiirust võib leida välispinna kiiruse ja raadiuse jagamisega.

Nagu ka pöördimpulsi kalkulaator näitas saab pöördimpulsi tavalise korrutamisega ning ei pea teadma vektorite skalaarkorrutisi ega ristkorrutisi.

Jõumoment (torque) näitab pöörlemist mõjutava jõu suurust. Selle väärtuse saab pöörleja raadiuse, välise jõu ja välise jõu nurga siinuse korrutamisel. Siinuse väärtus on maksimaalne 1 kui jõud mõjub pöörlemisteljega võrreldes 90 kraadise nurga all ning jõumoment on 0, kui väline jõud mõjub pöörlemisteljega paralleelselt (sin0=0). 

Selleks väliseks jõuks võib olla gravitatsioon ja sellega kaasneb pöörleva objekti kõikumine. Sarnaselt vurriga võib kogu pöörlemistelg kõikuda ning kõikumine on väiksem suurema pöördimpulsiga. 


Kvantfüüsikas

Kvantfüüsikas kirjeldatakse elektroni pöördimpulssi tavaliselt kahe kvantarvuga.
Teine kvantarv (väike l väärtusega elektroni energiatase n-1) esindab pöördimpulsi kvantarvu ning sellise elektroni pöördimpulsi L leiab ülemise valemiga. Madalaima energiaga elektronil (n=1) oleks l väärtus 0 ning pöördimpulsi väärtus on 0.

Kolmas kvantarv m kirjeldab pöördimpulsi orientatsiooni ning traditsiooniliselt kirjeldatakse orientatsiooni z telje suhtes. Kui l oli 1, siis m väärtused on 1, 0 ja -1. Kui l=2, siis m on 2, 1, 0, -1 või -2 jne.

Lz tähistab pöördimpulsi z telje osa.

Näited pöördimpulsi telje kõikumisest z telje suhtes.

Kogu pöördimpulss J võrdub lisaks telje kõikumisele ja spinnist. Eelnevalt on vaja teada teise kvantarvu ja spinni väärtust. Kui J on leitud, siis kirjeldatakse seda illustratsioonides ümber välise magnetvälja jõujoonte pöörlevana, mille enda suund on tavaliselt pandud võrduma z teljega. Z teljel olevad m väärtused lisatakse ühese distantsiga.
See telje kõikumine on üheks Zeemani effekti põhjuseks kus väline magnetväli tekitab spektrijoonte jaotumist.

Magnetväljas olev magneetiline objekt kogeb jõumomenti, mille intentsiivsus võrdub magnetvälja B ja magnetimpulsi (μ) vektorkorrutisega. Aatomis on magnetvälja põhjuseks elektroni liikumine ning see jõumoment on proportsionaalne elektroni pöördimpulsiga. Välise magnetvälja tekitatud jõumoment avaldab mõju, mis on pöördimpulsiga täisnurga all ning püsides nihutab see järjest pöördimpulssi tekitades pöörlemistelje ringjat kõikumist ümber magnetvälja jõujoonte (Larmor precession).
Püsiva asukohaga objekt võib joonduda magnetväljaga kuid elektroni liikumisel tekkiv magnetväli on selleks liiga muutlik. 
Tekkinud kõikumise pöörlemiskiiruse valem (Larmor'i sagedus).
Elektronil on sellise kõikumise kiiruseks 1 teslase magnetvälja korral 28 miljardit pööret sekundis ja prootonil 42,5 miljonit pööret sekundis. Magnetvälja kahekordistamisel peaksid mõlemad sagedused kahekordistuma ning kahekordsel langusel peaks sagedus vastavalt 2 korda langema.

Tuuma magentresonantsis tekib tuumas pärast raadiolainetega stimuleerimist raadiosagedus, mis on sellele magnetväljale omase Larmori'i sagedusega.

Kui nõrk magnetväli põhjustas elektroni pöördimpulsi ja spinni koos kõikumist, siis tugev magnetväli põhjustab nende suuremat sõltumatust üksteisest pannes nad mõlemad paralleelsete telgede ümber kõikuma. Nõrgas magnetväljas tekkinud spektrijoonte lahknemist nimetatakse Zeemani effektiks. Tugeva magnetvälja tekitatud lahknemist nimetatakse Paschen-Back'i effektiks ning sellele on omane spektrijoone lahknemine kolmeks millest keskmine on äärmistest kaks korda intentsiivsem. 

Neutrontähed

Neutrontähed on eeldavasti umbes aatomi tuuma tihedusega endised tähed, millele on kindlate vaatluste järgi omaseks korrapärane raadiosignaali teke ja mateeria väljumine joa või laieneva rõnga kujuliselt. Neutrontähed tekivad supernoovade järel ning nende plahvatuste pilvedest võib leida neutrontähtedele omast püsivat raadiosignaali.

Võimalikud omadused:
Magnetvälja tugevus on neutrontähtedel alates miljon teslat kuni 100 miljonit teslat. Inimeste tehtud teadaolevas võimsaimas magnetväljas oli 2800 teslat.
Võimsama magnetväljaga neutrontähti nimetatakse magnetarideks ning nende magnetväli on kuni 0,1-100 miljardit teslat. 
Tihedus 2 × 10¹⁷ kg/m³ , mis on ka hinnanguline prootonite ja neutronite tihedus.
Pinge voltides võib olla 10¹⁶ volti. Võrdlusena on välgunoole otste vahel erinevuseks ~100 miljonit volti.  

Kui tähe mass on 1,4 kuni 2 või 3 kordse päikese massiga, siis võib jaguda gravitatsiooni, et panna survega elektrone ja prootoneid neutroniteks liituma. Musta augu tekke eelduseks on üle 3 kordne päikese mass. 
Raadius on päikese massi kohta ~20 km ning teelusika jagu võib kaaluda miljard tonni. Võrdlusena on neutrontähele eelneva tihedusega valgetes kääbustes (elektronide tihedus saaavutab umbes maksimumi kuid neutroniteks kokku surumist ei toimu) teelusika jagu materjali 5 tonnise massiga. 

1967. avastati taevas korrapäraselt raadiolaineid eraldavad koht, mida peetakse nüüd neutrontäheks. Esimese sellise koha sagedus oli ~1,3 sekundilise korduva rütmiga ning signaalide sagedus oli saja miljondiku sekundi täpsusega.
Hiljem avastati 0,03 sekundilise (heli ja välimus) sagedusega pulsar (crab nebula sees), milles on ka rütmiline röngten ja nähtava valguse kiirgus. Selle sagedus aeglustub kiirusega umbes sajamiljondik sekundit päevas ning vahel esineb kiiremat aeglustumist põhjustav sündmus. Aeglustumise kiirus on umbes kooskõlas hinnangulise energia kuluga, et sellist kiirgust alal hoida. Kuna samast allikast pärines nähtav valgus ja raadiolained, siis arvutati nende erineva kohalejõudmise aja järgi vahepealses vaakumis elektronide keskmiseks tiheduseks 1 elektron 30 kuupsentimeetri kohta.
Vahel esineb "tähevärinaid", mis võivad signaalide teket kiirendada.
Seni on leidud ka ~40 kaksikpulsarit ning osad neist on erinevate sagedustega.
2000 valgusaasta kaugusel olev PSR J0737-3039A koosneb kahest eri sagedusega pulsarist. Ühe sagedus on 44 korda sekundis ja teisel korra iga 2,8 sekundi järel.

Klipp 30 hertsisest krabi pulsarist.

Näited pulsarite sagedustest alates tavalistest ~1 Hz kuni teadaolevalt kiirusega teisel kohal oleva ~600 hertsini.

Elektronmikroskoobid

Elektroni lainepikkus on elektronmikroskoopias tavaliselt 2,4 pikomeetrit, mis üle 100 000 korra väiksem nähtava valguse lainepikkusest ja ~4 korda väiksem väikseimast röngtenkiirguse vahemikku jäävast lainepikkusest (10 pikomeetrit).
Samas sarnaselt valgusega saab elektrone kasutada diffraktsioonimustri saamiseks või objektide illustreerimiseks saates neid lihtsalt materjali suunas tuvastades eemale põrkunud (või vaadeldavat objekti läbinud) elektrone.

Üldine elektroni lainepikkuse kalkulaator.
1000 eV korral on elektroni lainepikkus 38 pikomeetrit.
1 MeV korral on lainepikkus 0,8 pikomeetrit.
1 GeV puhul on lainepikkus ~1 femtomeeter.
1 TeV energiaga saab lainepikkuseks ~1 attomeetri.

Transmissioonelektronmikroskoop (TEM) kasutab elektronkiirt, mis suunatakse läbi materjali olles mõjutatud diffraktsiooni poolt.

Elektronkiir on tavaliselt 100-300 keV energiaga. Sellise energiaga elektronid suudavad kiiresti lagundada paljud materjalid kuid kiirel pildistamisel pole see väga suureks probleemiks. Kuna õhk takistab elektrone, siis on mikroskoobi siserõhk 100 000 paskali asemel 1/10 000 paskalist. Elektronide liikumist saab kontrollida magnetvälja ja elektrilise väljaga. Magnetväli paneb elektrone tiirlema. Elektrilise väljaga saab elektrone tõmmata positiivse laengu suunas ning eemale negatiivsest laengust. Kõrvale kaldunud elektrone saab blokeerida näiteks metalliga. 
Uuritav objekt hajutab elektrone veidi eri suundades ning alati pole vaja Bragg'i seadusega kirjeldatavate nurkade all tekkinud intentsiivsemaid signaale leida kuigi neid võib leida. 
Elektronid reageerivad tugevamalt raskemate elementidega seosega prootonite arv ruudus. Elektronide läbivuseks peaks uuritav objekt olema kuni mõnesaja nanomeetri paksune.

Skänneeriv-tunnelmikroskoop (STM) võimaldab üksikuid aatomeid nähtavaks teha. See kasutab elektrilise ja keemilise töötlusega saadud teravat elektrood otsikut mida liigutatakse piesoelektriliselt. Elektrivool mõjutab veidi ainete mõõtmeid ja piisavalt nõrga elektriga saab otsa liigutada nii täpselt, et sellega võib üksikuid aatomeid täpselt soovitud asetusega üksteise kõrvale liigutada. Vaakumi või madalama rõhu tekitamine pole vajalik.
Täpsemate STM täpsus võib tuvastada 10 pikomeetrist sügavuse erinevust, mis on väiksem ka vesiniku 25 pikomeetrisest raadiusest.

Kasutatav terav ots on elektrit juhtivast materjalist. Tekitades selles pinge erinevuse võrreldes uuritava materjaliga võib see otsik hakata materjali aatomite elektrone ligi tõmbama tekitades muutusi voolus. Liigutades otsa materjali kohal saab iga väikse ala kohal tekkinud voolu kõikumise järgi tuvastada pinnal olevate aatomite asukohad.
Mitme otsiku jäämine moonutab pilti ning otsa materjalina on kasutatud süsinik nanotorusid. Väikseimate nähtavate detailide suurus on lähedane otsiku suurusega.

Otsikuteravik võimaldab ka aatomi täpsusega struktuure joonistada ning neid sama otsikuga tuvastada. Üksikmoleke või aatomeid saab liigutada elektrostaatiliselt või iga aine vahel tõmbavalt mõjuva van der Waals'i jõuga.

Kuigi seda ei loeta vist üldiselt mikroskoopiaks, kasutati kiirendites kiirendatud energilisi elektrone kvarkide tuvastamiseks. Ülienergiliste elektronide lainepikkus on väiksem prootoni diameetrist mis võimaldab uurida prootonist väiksemaid objekte kuid sellise energiaga kaasneb tuumade kahjustused ning uute kvargipaaride teke. Selle vaatlusviisi üldnimetus on deep inelastic scattering ning "ebaelastilisus" tähendab, et kokkupõrkel ei säilinud osakeste kineetiline energia ja mingi siseprotsess või osake võis põhjustada osalist energiakadu. 
Kasutatud kiirendi suutis tekitada üle 20 GeV energiaga osakesi. Elektronide trajektoor kõverdus aatomi läbimisel iga energiaga kuid prootonist/neutronist väiksema lainepikkusega läbides hakkasid elektronid ettearvatust rohkem kõrvale kalduma. Kõrvalekalde põhjuseks pakuti massiivseid laenguga osakesi, mis põrgatasid elektrone eemale sarnaselt tuuma avastamisel kasutatud alfa osakeste põrgatamisega. 

Elektroni diffraktsioon

Kuna elektronid käituvad sarnaselt teiste sarnaselt väikeste objektidega osaliselt lainena, siis võivad nad sarnaselt heliga levida kergelt ümber nurga tekitades sellega mustri, millest võib aine struktuuri tuvastada. Elektronid kiirendatakse eelnevalt läbi kindla pinge erinevuse ning nende muster tuvastatakse näiteks fotoplaaadiga, fosforkihi või digitaalkaamera sensoriga.

Kui röngtenkiirguse diffraktsioon tekitab palju punkte, siis elektronide diffraktsioonile on omaseks ribalaadsete alade teke, mis ristuvad üksteisega. Selliseid ribasid nimetatakse (vist) Kikuchi joonteks (Kikuchi lines). Röngtenkiirgusega leitud täpid kaovad ja tekivad kristalli pööramisel kiiresti kuid elektroni diffraktsioonil liiguvad need katkematult ja sujuvamalt. Iga Kikuchi joon seostub Bragg'si diffraktsioonile omaselt ühe väikese kristallstruktuuri osaga.
Elektroni lainepikkus võib olla ~2 pikomeetrit ning kristallstruktuuris korduvad struktuurid on tavaliselt mõnisada pikomeetrit. Bragg'i diffraktsiooni nurk võib 300 keV elektronidega olla veerand kraadi. 

Ribade tähistusel kasutatakse kristallograafias üldiselt kasutatavat Miller'i indeksit, milles saab numbrilise väärtusega kirjeldada külgede orientatsiooni x, y ja z telgedel. Näiteks (100) tähistab a1 teljega ristuvat külge ning (010) a2 teljega ristuvat külge.

Pinnapealselt lainete sagedusest ja osakestest

Midagi pinnapealset, sest ei osanud seda teiste teemadega seostada. Märkasin plastikpudelit toksides, et kui vibratsiooniga tekkinud seisulained läksid tihedamaks ja kõrgemaks, siis tekkis tihti pisikesi eraldunud tilgakesi, mis hakkasid vee pinnal ringi liikuma. Tilkade suurus sarnanes samaaegselt paistvate lainepikkustega.
Klipil on pausi abil näha, et vee pinnal liikuvad tilgad on sarnase suurusega nagu laineharjakesed või väiksemad. Tilgad ise tekivad kõige intentsiivsema vibratsiooniga keskkohas kus toimus tõenäoliselt lainete liitumine interferentsi või resonantsina.

Aatomi tuumad on tavaliselt mõne femtomeetrised ning prootonite ja neutronite diameeter on ~0,8 femtomeetrit. Neutronite ja prootonite massi energiahulk on ~940 MeV ja ~1800 korda kergem elektron sisaldab massis 0,511 miljonit elektronvolti. Annihilatsiooniga peaks need andma täielikul lagunemisel sama energiahulga.  
Kalkulaator elektromagnetlainete lainepikkuse ja energia arvutamiseks. Kui lainepikkuseks panna 1 femtomeeter, siis on footoni energiaks 1,2 GeV. Kui footoni energiaks panna 940 MeV, siis on lainepikkuseks 1,3 femtomeetrit ning kiirguse sageduseks 2x10²² Hz. Kui footoni energiaks on elektroni 0,511 MeV, siis on footoni sageduseks 1x10²⁰ Hz ja lainepikkuseks 2,4 pikomeetrit. Ka lainepikkused erinesid üksteisest ~1800 korda.
Potentsiaalse mateeria loomise viisina saab luua osakesi kui elektromagnetkiirguse footonite energia on võrdne vähemalt osakeste annihilatsiooniga vabanenud energiaga.
Ideaalis võiks saada luua sellise kindla sagedusega footoneid, et kontrollida mateeria tekke võimalust kuid realistlikult on takistuseks osakeste soojusliikumine ja femtomeetrise lainepikkusega laineid ei saa kergesti interferentsiga võimendada.

Aatomite raadiused pikomeetrites. Vesiniku 25 pikomeetrine raadius jätab ruumi 2,4 pikomeetrise diameetriga elektronile kui mõlemad on kerakujulised.

Kera ruumala valemi järgi võib elektroni ruumala olla ~7 kuuppikomeetrit. Vesiniku ruumala on ~65 000 kuuppikomeetrit. Uraanil on 92 elektroni 175 pikomeetrise raadiusega keras. Uraani enda ruumala paistis 22 miljonit kuuppikomeetrit. Selliste mõõtudega moodustab elektron vesiniku aatomis 7/65000=~0,0001 (0,01%). Uraani 7x92/22 000 000=~0,00003 (0,003%), mis on vesinikust umbes kolmandiku võrra hõredam elektronide tiheduse osas.

Üldiselt paistab, et kiirgusega saab luua osakesi ning mida väiksem lainepikkus seda massiivsema ja väiksema osakese saab luua kuigi stabiilsemad osakesed tekivad elektroni ja neutroni/prootoni mõõtude juures. Samas eeldab selliste energiatega footonite loomine energilisi sündmusi nagu leiab kiirendites. Väga energiliste kokkupõrgetega on loodud prootonitest palju raskemaid osakesi kuid sellised erandid lagunevad tihti esimese miljondiku sekundi jooksul. Võib-olla olid need vastavalt energilise footoniga. Massiivseima osakesena paistab standardmudelis top kvark, mis on neutronist ja prootonist ~170 korda massiivsem. Minimaalselt piisava energiakogusena sellise loomiseks kulus 2 TeV (eeldavasti läks sellest pool antiosakese loomiseks) ning footonis oleks selline energia 0,6 attomeetrise lainepikkusega. Selle kvargi ristlõike pindalaks pakuti ~miljardik ruutfemtomeetrit (picobarn), milles paistab endiselt seos, et mida massiivsem osake, seda pisem see on.

Tuumade seondumistugevus

Kõige tugevamalt on omavahel seotud ~60 nukleoniga nikli, raua ja kroomi paarisarvuliste neutronite ja prootonite arvuga isotoobid. Nukleon tähistab üksikut prootonit või neutronit. Seondumisenergia näitab kui palju tuleb energiat kulutada ühe nukleoni kohta, et tuuma lagundada. Sellised tuumad on kõige stabiilsemad olles sobimatud tuumade liitumise ja lagunemisega energia saamiseks kuna selliste reaktsioonide esile kutsumiseks tuleb rohkem energiat kulutada kui selle tagajärjel saaks. 

Võrdlusena kui nukleonide lahti saamiseks kulub kuni üle 8 miljoni elektronvoldi, siis elektrone saab aatomist lahti paari kuni üle 10 000 elektronvoldiga, mis jääb ka tugevamalt seondunud elektronidel üle 100 korra nõrgemaks nukleone siduvast jõust.

Tuumade mass on väiksem kui nendes olevate neutronite ja prootonite massid tuumast vabalt olles.
Massi erinevuse saab kokku võtta seosega: tuuma siduv jõud=Δmc². Mida rohkem puudub tuumas massi seda tugevamalt püsib tuum koos. Näiteks heeliumi tuuma 2 prootonit ja 2 neutronit on ~0,75% vähem massiivsed kui need osakesed vabad ning tuuma üksikuteks nukleonideks lagundamine vajab ~28 miljonit elektronvolti. Kui paari elektronvoldise elektroni vabanemine võib tekitada paari elektronvoldise nähtava valguse footoni, siis tuumade lagunemisel tekib miljonite elektronvoltidega gamma kiirguse footoneid. 

Massi lisa või puudus keemilistel elementidel ühikuga tuhandik massist (allikas).

Seondumistugevus ühe nukeloni kohta. Umbes keskel olevast katkendjoonest paremale jäävad elemendid võivad rohkem energiat vabastada kui kulus nende poolestamiseks näiteks energilise neutroniga. Vasakul ääres on kuni 7 MeV seondumisjõuga elemendid, mille liitumisel vabanes rohkem energiat kui kulus nende kokku löömiseks näiteks kõrge temperatuuriga. Nikkel püsib tugevamalt koos kui raud kuid looduses ja tähtedes on raud üks tavaliseim element. Tähtedes tekib tuumade liitumisel raskemaid elemente kuni rauani ning supernoovade ajal toimub suurte energiakadudega rauast raskemate elementide tootmine.

Neutriinod

1930. pakuti välja elektron neutriinode olemasolu kuna elektroni või positroni tekitaval beeta lagunemisel paistis eraldunud elektronidel/positronidel liiga vähe energiat. Neutriinodel puudub laeng ja nende mass on osakeste hulgas üks väiksemaid. Elektron neutriino energia hulk on kuni umbes nähtava valguse footoni energiaga. Neutriinode jälgimist raskendab nende vähene vastastikmõju mateeriaga ning need võivad läbida Maa. Vee tihedusega keskkonnas võivad need kokkupõrgete vahel keskmiselt läbida distantsi, mis võrdub ~10 kordse distantsiga Maa ja päikese vahel ning tinas on arvutatud ka üle valgusaasta pikkust läbimisvõimet enne kokkupõrget. Ka sellise madala aktiivsusega on võimalus, et mõni neist reageerib detektoris oleva aatomiga. Nende tihedus võib universumis olla ~100 neutriinot kuupsentimeetri kohta. Kui mikrolaine footonite taustkiirgus lisab universumis 2,7 kraadi soojust, siis neutriinod lisavad ~2 kraadi.  
Neutriinod võivad aatomitele mõju avaldada teadaolevalt ainult nõrga vastastikmõjuga, mis muudab prootoneid neutroniteks või vastupidi.

Neutriino detektorid on sügaval maa all asuvad veemahutid, mille valguse detektorid otsivad neutriinode reaktsioonidel tekkinud tuumareaktoritele omast sinakat Cerenkov'i kiirgust. Cerenkov'i kiirgus tekib kui osake liigub keskkonna kohalikust valguse kiirusest kiiremini. Aeglustudes kohaliku valguse kiiruseni tekitavad need koonusekujulise lainetuse analoogselt veel sõitva paadiga kui paat liigub vee lainetest kiiremini. 

Lainete koonuse järgi võib leida liikuva objekti kiiruse. Valemis on valguse kiirus c, osakese kiirus v ja keskkonna murdumisnäitaja n. Kiire aeglustumise tõttu on see valgus nähtav  umbes 10 miljardikku sekundist. 

Üheks detektoriks on Sudbury detektor. See asub 2 km sügavusel sisaldades 1000 tonni deuteeriumiga vett ja selle ümber olevat suuremat tavavesinikuga vee mahutit. Ümber on 9500 valguse detektorit.

Valgust tekitavad reaktsioonid, mida Sudbury detektoris otsitakse. Deuteerium on d, p prooton, n neutron, v neutriino ja e elektron. Deuteeriumiga detektorid võivad tuvastada kõiki neutriinosid. Päeval ja öösel paistab samas palju neutriino reaktsioone. Päikesest pärit neutriinode valguskoonused on päikesega samal sirgel.
Detektor asub sügaval maa all, et vähendada kosmilise kiirguse jälgi kuigi ka need ulatuvad mitukümmend korda päevas detektorini tekitades neutriinodest tugevama reaktsiooni.

1987A supernoovaga (180 000 valgusaasta kaugusel) seostatud neutriinode jälg. ~15 sekundi jooksul leiti 10 energilist neutriino reaktsiooni. Sellised reaktsioonid mõõdeti mitu tundi enne supernoova visuaalset leidmist.

Päikesest pärit elektron neutriinode hulk on detektorites 2-3 korda väiksem kui peaks hinnanguliselt päikesest tulema (5 miljonit ruutsentimeetrile sekundis) kuid neutriinode arv kattub hinnangutega kui neutriinod saavad ühest vormist teise muutuda ning kõik pole ühtlaselt kergesti tuvastatavad. Sudbury andmete järgi on selline muutumine võimalik.