Je možné “ vidět ” atomy?

To zcela závisí na tom, co znamená „vidět“. Začněme poznámkou:

Podle mých znalostí jsou atomy malé nad naše představy

Ne. Atomy jsou poměrně velké ve srovnání s určitými jinými věcmi, se kterými si hrajeme, jako jsou jejich složky (protony, elektrony) v urychlovačích částic. Velikost atomů je řádově 0,1 nanometru (samozřejmě existuje změna velikosti , ale zatím se tím nebudu obtěžovat). A nanometr je $ 10 ^ {- 9} $ metrů. Například protony jsou mnohem menší a atomy jsou v takovém smyslu, že známe již více než sto let že nejsou nedělitelné, protože jsme v experimentech viděli, že nejsou.

Nyní můžeme „vidět“ atomy? To záleží, jak jsem již naznačil, co myslíte pod „vidět“ Pokud máte na mysli „vytvořit obrázek ve viditelném světle“, pak to „nemůžete udělat“. V mikroskopii existuje obecné pravidlo, že nejmenší věci, které dokážete rozlišit pomocí perfektně zkonstruovaného mikroskopu, musí mít velikost přibližně polovinu vlnové délky světla, na které na něj svítíte. Přesnější verze je známá jako Abbéův difrakční limit . Viditelné světlo má vlnovou délku přibližně 400–700 nanometrů. To je samozřejmě přibližně 4000–7000krát větší než průměr atomu, takže ve skutečnosti neexistuje způsob, jak bychom mohli vidět atom pomocí (difrakčního) mikroskopu pomocí světla. [Jak je navrženo v komentářích, existuje metod, jak obejít Abbé difrakční limit používající po částech velmi odlišné techniky od obvyklé mikroskopie. Zdá se však, že rozlišení atomů ještě není dosaženo.]

Existují však i jiné věci, kromě světla, které můžeme použít. Mohli bychom například použít místo světla elektrony. Kvantová mechanika nám říká, že elektrony, stejně jako světlo a všechno ostatní, mají vlnové délky . Samozřejmě, takový mikroskop vypadá trochu jinak než světelný mikroskop, protože my lidé nemáme dobrý detekční mechanismus pro elektrony. To znamená, abychom mohli vytvořit obraz z lomených a odražených elektronů, musíme použít elektronické senzory a poté znovu vytvořit obraz. Tento typ mikroskopu, který jsem právě popsal, je víceméně transmisní elektronový mikroskop (TEM) a jsou tu už dlouhou dobu. Dnes mají takové typy mikroskopů rozlišení asi 0,05 nanometrů (obvykle se uvádí TEMS, že mají rozlišení asi 1000krát lepší než rozlišení světelných mikroskopů, ale pomocí některých korekčních technik lze dosáhnout rozlišení 0,05 nm a možná i níže ) . To je skoro dost na to, abyste viděli atom (první obrázek najdete zde , druhá odpověď obsahuje lepší a novější obrázky), ale pravděpodobně to není dost na to, abyste viděli obrázek, který jste propojili, abyste měli o něco lepší rozlišení.

[Poznámka: před několika lety jste pro takový obrázek určitě potřebovali mikroskop, který popisuji v další části, dnes byste možná mohli dosáhnout toho také pomocí TEM. Jinými slovy: Dnes byste mohli „vidět“ atomy pomocí elektronů.]

Jak jsme to tedy dostali:

Existuje však obrázek wikipedie, který ukazuje atomy křemíku pozorované na povrchu krystalů karbidu křemíku.

Musíme použít jiný typ elektronického mikroskopu, skenovací tunelovací mikroskop (STM) .Zatímco TEM funguje v podstatě stejně jako světelný mikroskop, STM používá různé koncepty. Proto je ještě více odstraněno z toho, co byste běžně nazývali „vidět“. Nechci podrobně popisovat, jak to funguje, ale mikroskop se skládá z malého hrotu s přiloženým napětím a měří tunelování elektronů do sondy, čímž měří vzdálenost k sondě. Vrchol pak putuje přes povrchu vašeho materiálu a měří vzdálenost materiálu ke špičce v mnoha bodech, poté vytvoří topografický obraz sondy. Takže změří hustotu elektronů kolem atomu a tím, jak to chápeme, velikost atomu. Díky tomu může jakýkoli rozumný STM získat rozlišení asi 0,1 nm a dobré STM jsou mnohem lepší.

A konečně tak můžeme vidět atomy.

Komentáře

• @ Martin Všimněte si tvrzení v jiné odpovědi a v komentářích pod ní. Také je přerušen odkaz na 0,05nm.
• @Emilio Pisanty: Děkuji za poukázání na nefunkční odkaz. Našel jsem další zdroje, které tvrdí, že jsou stejné, a přidal jsem je. Rozlišení, které cituji, je v zásadě stejné než rozlišení v on nová odpověď. Technicky jsem nikdy netvrdil, že ‚ nevidíte atomy pomocí TEM – napsal jsem, že je můžete vidět – ale poukázal jsem na to, že jste vyhráli ‚ získá obrázek výše. To zůstává pravdou, protože obraz otázky je rozhodně obrazem STM. Také mám pocit, že rozlišení je stále lepší a můžete tvrdit, že postprocesing níže uvedeného STEM také “ nevidí „. Snažil jsem se to však objasnit.
• Samozřejmě záleží na vaší definici “ viz „, ale my díky technikám jako mikroskopie atomových sil

Martinovo prohlášení výše:

Vidíme nyní „atomy“? To záleží, jak jsem již naznačil, co myslíte pod „vidět“. Pokud máte na mysli „vytvořit obrázek ve viditelném světle“, pak to „nemůžete udělat.“

ve skutečnosti není úplně pravda. Jeden může pořizovat snímky pomocí viditelného světla, které ukazuje jednotlivé atomy. Zde je příklad:

(1)

Důvod, proč to funguje, je ten, že systém, ve kterém jsou atomy velmi zředěné, mnohem více než v běžné pevné látce a jsou omezeny na diskrétní místa ve 2D listu. Dále se k pořízení obrazu používá světlo při 780 nm, které rezonuje s elektronovým přechodem atomy, a proto je rozptýlen velmi silně. Atomy jsou velmi slabé (tento snímek měl pravděpodobně vysoce kvalitní CCD snímač přibližně za sekundu) a pro potřebné zvětšení je potřeba velmi pěkné nastavení mikroskopu, ale toto ve skutečnosti je to obrázek atomů, který používá stejné principy jako jakýkoli obrázek buňky pořízený pomocí a n optický mikroskop.

editace: Chtěl bych však zdůraznit, že stejně jako téměř všechny vědecké snímky se jedná o obraz falešných barev s libovolně zvoleným zeleným odstínem. Abychom byli věrnější tomu, co by člověk skutečně viděl, měla by být barevná škála místo toho načervenalá barva světla 780 nm, které osvětluje atomy.

Komentáře

• To ‚ je trochu podvádění, ale ‚ je skvělý experiment. Ve stejném duchu lze použít světlo k zobrazení jednotlivých iontů v iontové pasti, jako jsou ty v obrázcích zde ; zde je vzdálenost mezi ionty řádově 10 μm (vyplývající z rovnováhy mezi omezujícím potenciálem a jejich vzájemným odpuzováním), což je asi ~ 20krát delší než vlnová délka viditelného světla a ~ 200 000 delší než typická interatomová separace v krystalu.
• @EmilioPisanty Ano, to je dobrý bod, práce s ionty předchází zobrazování jednotlivých neutrálních atomů. Pokud jde o to, zda se jedná o “ podvádění, “ to nechám na čtenáři ‚ s úsudek;) (ale poznamenal bych, že OP v žádném případě nespecifikoval, že se ptá na atomy v pevné látce).

Toto je obraz nanokrystalů Sc2O3 získaný z transmisního elektronového mikroskopu korigovaného na aberaci.

Levý obraz se zaznamenává měřením pouze elektronů, které byly ohnuty / odkloněny průchodem materiálem (v tomto případě atomy kyslíku nevidíme velmi dobře)

Obrázek na vpravo měří všechny elektrony, které procházejí materiálem. (V tomto případě vidíme zcela jasně sloupce kyslíku a skandia – což jsou v tomto případě sloupce s 5 atomy)

V tomto případě vidíme sloupce atomů, ale tomografické STEMy existují a mohou reprodukovat 3D umístění jednotlivých atomů v materiálu

STEMy fungují tak, že vysílají elektrony do vzorku a zaznamenávají, jak jsou tyto elektrony rozptýleny, absorbovány nebo přenášeny zcela analogicky tomu, jak fungují světelné mikroskopy, pouze elektrony mají mnohem menší vlnovou délku než světlo.

Atomy nevidíme pomocí světla, protože atomy jsou mnohem menší než vlnová délka světla.

Ale elektrony mají mnohem menší vlnovou délku, což nám umožňuje zkoumat mnohem menší rysy než světlo může doufat, že dovolí

Tento obrázek má rozlišení asi 70 pikometrů (0,07 nm) a atomy mají „průměry“ zhruba 0,1 nm … 10 ^ (- 10) metrů. Více než dostatečné rozlišení pro zobrazení atomů

Na rozdíl od předchozí odpovědi můžeme ve skutečnosti atomy obrazu velmi dobře používat pomocí STEM a TEM.

Kromě toho moderní STEM mohou chemicky identifikovat atomy na základě toho, jak elektronový paprsek se vychýlí vzorkem.

Více elektronů v atomech => větší průhyb.

Takže nejenže můžeme vidět atomy, ale můžeme také studovat jejich chemii a fyzikální vlastnosti, zatímco se na ně díváme!

Níže je obrázek nanokrystalu Nd3 +: Sc2O3. Jasnější body odpovídají atomům Nd (kvůli jejich mnohem většímu počtu elektronů).

David B. Williams a 1 další Transmisní elektronová mikroskopie: Učebnice pro vědu o materiálech (sada 4 svazků)

Je velmi důkladným a úplným zdrojem veškerého elektronového mikroscooya.

Snímky zaznamenané pomocí JOEL ARM200F a Fourierova prostoru filtrované a analyzované pomocí gatanu

Komentáře

• Uveďte prosím zdroje pro všechny své obrázky a nároky.
• Experiment jste stejně prováděli sami? V takovém případě ‚ pochopíte, že je třeba poskytnout dobrý odkaz na článek popisující metody. Použijte prosím tlačítko pro úpravy, abyste do svého příspěvku vložili odkazy, místo aby jste je zveřejňovali pouze v komentářích.
• Není můj downvote, ale (1) druhá odpověď žádný takový nárok neposkytuje, (2) váš je třeba vylepšit technické psaní a (3) je třeba zahrnout příslušné odkazy, zvláště když jsou vaše nároky v rozporu s předchozím obsahem. (Neříkám, že se ‚ mýlíte, ale ‚ říkám, že potřebujete víc než jen já.) Omlouvám se za omezení odkazů – je to ochrana systému proti spamu. Pokud označíte své reference v příspěvku a zahrnete odkazy do komentářů, mohu je v odkazech upravit, ale opravdu nepotřebujete ‚ adresy URL, když tradiční odkazy na deníky budou stačit fajn.
• Přečtěte si podrobně další odpověď – tento odstavec hovoří konkrétně o mikroskopech TEM. Ještě musíte předložit důkazy, které konkrétně odporují Martinovým ‚ s tvrzením. Při psaní, zejména u vláken obecného zájmu, jako je tento, musíte psát pro obecné publikum, které aktuální text neřeší; to může být jeden ze zdrojů protihlasů. Aktuální text je roztříštěný, těžko čitelný a obecně mnohem méně přístupný než předchozí odpověď.
• Nechci ‚ s vámi ani debatovat – toto je pravděpodobně můj poslední komentář – a já ‚ m rozhodně nejsem ten, s kým byste měli bojovat. Pravděpodobně tam máte skvělou odpověď, na kterou jsem se ‚ pokusil vám pomoci, ale nakonec (podle mého názoru) to ‚ je na vás, abyste vylepšili své technické psaní do fáze, kdy ‚ neodcizíte široké publikum, které ‚ čte vaše pošta. Dobrý den!