Er det muligt at “ se ” atomer?

Dette afhænger helt af hvad du mener med “se”. Lad mig starte med at bemærke:

Efter min viden er atomer små ud over vores forestillinger

Nej Atomer er ret store sammenlignet med visse andre ting, vi leger med, som dets bestanddele (protoner, elektroner) i partikelacceleratorer. Atomernes størrelse er af størrelsesordenen 0,1 nanometer (selvfølgelig er der en variation i størrelse , men jeg gider ikke lige nu). nanometer er $ 10 ^ {- 9} $ meter. Protoner er for eksempel meget mindre, og atomer er på en måde så store, at vi kender i mere end hundrede år nu at de ikke kan deles, fordi vi i eksperimenter har set, at de ikke er det.

Kan vi nu “se” atomer? Dette afhænger, som jeg allerede antydede, hvad du mener med “se” Hvis du mener “lav et billede i synligt lys”, kan du ikke gøre det. I mikroskopi er der en tommelfingerregel, at de mindste ting, du kan skelne med et perfekt konstrueret mikroskop, skal have en størrelse på omkring halvdelen af bølgelængden af det lys, du skinner på. Den mere nøjagtige version af dette er kendt som Abbedifraktionsgrænse . Synligt lys har en bølgelængde på ca. 400-700 nanometer. Dette er selvfølgelig ca. 4000-7000 gange så meget som atomets diameter, så der er faktisk ingen måde, hvorpå vi kan se et atom med et (diffraktions-) mikroskop ved hjælp af lys. [Som foreslået i kommentarerne er der en række metoder til at komme rundt i Abbés diffraktionsgrænse ved hjælp af dele meget forskellige teknikker end almindelig mikroskopi. Det ser dog ud til, at en opløsning af atomer endnu ikke er opnået.]

Men der er andre ting udover lys, vi kan bruge. Vi kunne for eksempel bruge elektroner i stedet for lys. Kvantemekanik fortæller os, at elektroner, ligesom lys og alt andet, har en bølgelængder . Naturligvis ser et sådant mikroskop lidt anderledes ud end et lysmikroskop, fordi vi mennesker ikke har nogen god detektionsmekanisme for elektroner. Dette betyder, for at vi kan fremstille et billede af de brydede og afbrudte elektroner, skal vi bruge elektroniske sensorer og derefter genskabe billedet. Denne type mikroskop, som jeg lige har beskrevet, er mere eller mindre et transmissionselektronmikroskop (TEM) , og de har eksisteret i lang tid. I dag har sådanne typer mikroskoper en opløsning på ca. 0,05 nanometer (almindelige TEMS citeres undertiden for at have en opløsning ca. 1000 gange bedre end opløsningen af lysmikroskoper, men ved hjælp af nogle korrektionsteknikker kan man opnå opløsningerne på 0,05 nm og måske under ) . Dette er omtrent nok til at se et atom (se her for et tidligt billede, det andet svar indeholder bedre og nyere billeder), men det er sandsynligvis ikke nok til at se det billede, du linkede til, have en lidt bedre opløsning.

[Bemærk: for et par år siden havde du bestemt brug for det mikroskop, jeg beskriver i det næste afsnit til et sådant billede, i dag kan du muligvis for også at opnå det via TEMer. Med andre ord: I dag kan du muligvis “se” atomer med elektroner.]

Så hvordan fik vi dette:

Men der er et wikipedia-billede, der viser siliciumatomer observeret på overfladen af siliciumcarbidkrystaller.

Vi er nødt til at bruge en anden type elektronisk mikroskop, et scanningstunnelmikroskop (STM) .Mens TEM fungerer stort set det samme som et lysmikroskop, bruger STM forskellige koncepter. Derfor fjernes det endnu mere fra det, du normalt kalder “at se”. Jeg vil ikke beskrive, hvordan dette fungerer i detaljer, men mikroskopet består af en lille spids med en spænding påført, og det måler tunneling af elektroner ind i sonden og måler derved afstanden til sonden. Toppen vandrer derefter over overfladen af dit materiale og måler materialets afstand til spidsen på mange punkter, hvorefter der konstrueres et topografisk billede af sonden. Så det måler elektrondensiteten omkring atomet og derved, som vi forstår det, atomets størrelse. Med dette kan enhver rimelig STM få en opløsning på ca. 0,1 nm, og gode STMer er meget bedre.

Og endelig er det sådan, vi kan se atomer.

Kommentarer

• @ Martin Bemærk påstandene i det andet svar og i kommentarerne nedenunder. Også linket ved 0,05 nm er brudt.
• @Emilio Pisanty: Tak for at påpege det ødelagte link. Jeg fandt andre kilder, der hævdede det samme, og tilføjede dem. Den opløsning, jeg citerer, er dybest set den samme end den i t han nye svar. Teknisk set hævdede jeg aldrig, at du kan ‘ ikke se atomer med TEMer – jeg skrev, du kan se dem – men jeg påpegede, at du vandt ‘ t få billedet ovenfor. Dette forbliver sandt, fordi billedet af spørgsmålet bestemt er et STM-billede. Jeg føler også, at opløsningen stadig er bedre, og du kan argumentere for, at efterbehandlingen af nedenstående STEM heller ikke er “, der ser “. Men jeg forsøgte at afklare dette.
• Det afhænger naturligvis af din definition af ” se “, men vi kan få billeder, der modellerer ret tæt på virkeligheden takket være teknikker som atomkraftmikroskopi

Erklæringen fra Martin ovenfor:

Kan vi nu “se” atomer? Dette afhænger, som jeg allerede antydede, hvad du mener med “se”. Hvis du mener “lav et billede i synligt lys”, kan du ikke gøre det.

er faktisk ikke helt sandt. En kan tage billeder ved hjælp af synligt lys, der viser enkeltatomer. Her er et eksempel:

(1)

Årsagen til at dette virker er, at dette er en system, hvor atomerne er meget fortyndede, meget mere end i et almindeligt fast stof, og er begrænset til diskrete steder i et 2D ark. Desuden bruges lys ved 780 nm til at tage billedet, hvilket er resonant med en elektronisk overgang i disse atomer og er derfor spredt meget stærkt. Atomer er meget svage (dette billede havde sandsynligvis en eksponeringstid på omkring et sekund med en CCD-sensor af høj kvalitet), og der er behov for en meget flot mikroskopopsætning for at få den nødvendige forstørrelse, men dette virkelig er et billede af atomerne ved hjælp af de samme principper som ethvert billede af en celle taget med en n optisk mikroskop.

redigering: Jeg skal dog understrege, at dette som næsten alle videnskabelige billeder er et falskfarvet billede med den grønne skygge, som tilfældigt er valgt. For at være mere trofast over for, hvad man rent faktisk ville se, skulle farveskalaen i stedet være den rødlige farve på det 780 nm lys, der oplyser atomerne.

Kommentarer

• At ‘ er lidt snyd, men det ‘ er et sejt eksperiment. På samme måde kan man bruge lys til at afbilde enkeltioner i en ionfælde, som dem i billederne her ; her er inter-ion-afstanden i størrelsesordenen 10 μm (som følge af ligevægten mellem det begrænsende potentiale og deres gensidige frastødning), som er ca. ~ 20 gange længere end bølgelængden af synligt lys og ~ 200.000 længere end den typiske interatomiske adskillelse i en krystal.
• @EmilioPisanty Ja dette er et godt punkt, arbejdet med ioner foregår før billeddannelse af individuelle neutrale atomer. Om dette er ” snyd, ” Jeg overlader det til læseren ‘ s dom;) (men jeg vil bemærke, at OPen på ingen måde specificerede, at han spurgte om atomer i et solidt stof.