Voiko “ nähdä ” atomeja?

Tämä riippuu täysin siitä, mitä tarkoittaa ”katso”. Haluan aluksi huomauttaa:

Tietojeni mukaan atomit ovat pieniä mielikuvituksemme ulkopuolella

Ei. Atomit ovat melko suuria verrattuna tiettyihin muihin asioihin, joiden kanssa pelaamme, kuten sen ainesosat (protonit, elektronit) hiukkaskiihdyttimissä. Atomien koko on luokkaa 0,1 nanometriä (tietysti on koon vaihtelu , mutta en aio häiritä toistaiseksi). nanometri on $ 10 ^ {- 9} $ metriä. Esimerkiksi protonit ovat paljon pienempiä ja atomit ovat tavallaan niin suuria, että tiedämme jo yli sadan vuoden ajan että ne eivät ole jakamattomia, koska olemme kokeissa nähneet, etteivät ne ole.

Voimmeko ”nähdä” atomeja? Se riippuu, kuten jo mainitsin, mitä tarkoitat sanalla ”nähdä” Jos tarkoitat ”tee kuva näkyvässä valossa”, et voi tehdä sitä. Mikroskopiassa on nyrkkisääntö, jonka mukaan pienimmillekin asioille, jotka voit erottaa täydellisesti suunnitellulla mikroskoopilla, on oltava kooltaan noin puolet sen valon aallonpituudesta, johon sinä loistat. Tämän tarkempi versio tunnetaan nimellä Abbén diffraktioraja . Näkyvän valon aallonpituus on noin 400–700 nanometriä. Tämä on tietysti noin 4 000–7 000 kertaa suurempi kuin atomin halkaisija, joten emme todellakaan voi nähdä atomia (diffraktiomikroskoopilla) käyttämällä valoa. [Kuten kommenteissa ehdotetaan, on olemassa useita menetelmiä kiertää Abbé ” diffraktioraja käyttäen osittain hyvin erilaisia tekniikoita kuin tavallinen mikroskopia. Näyttää kuitenkin siltä, että atomien erottelua ei ole vielä saavutettu.]

Mutta valon lisäksi on muitakin asioita, joita voimme käyttää. Voisimme esimerkiksi käyttää elektronia valon sijasta. Kvanttimekaniikka kertoo meille, että elektronien, kuten valon ja kaiken muunkin, aallonpituudet . Tietenkin tällainen mikroskooppi näyttää hieman erilaiselta kuin valomikroskooppi, koska meillä ihmisillä ei ole hyvää elektronien havaitsemismekanismia. Tämä tarkoittaa, että kuvan tekemiseksi taittuneista ja taittuneista elektroneista meidän on käytettävä elektronisia antureita ja luotava sitten kuva uudelleen. Tämän tyyppinen mikroskooppi, jonka juuri kuvasin, on enemmän tai vähemmän lähetyselektronimikroskooppi (TEM) ja se on ollut käytössä jo pitkään. Nykyään tämäntyyppisten mikroskooppien resoluutio on noin 0,05 nanometriä (tavallisista TEMS: stä mainitaan joskus resoluutio noin 1000 kertaa parempi kuin valomikroskooppien resoluutio, mutta käyttämällä joitain korjaustekniikoita voidaan saavuttaa tarkkuus 0,05 nm ja ehkä alle ) . Tämä on juuri tarpeeksi nähdäksesi atomin (katso täältä varhaisen kuvan, toinen vastaus sisältää parempia ja uudempia kuvia), mutta se ei todennäköisesti ole tarpeeksi nähdäksesi linkittämäsi kuvan, on hieman parempi resoluutio.

[Huomaa: muutama vuosi sitten tarvitsit ehdottomasti seuraavassa osassa kuvailemani mikroskoopin tällaista kuvaa varten. saavuttaa se myös TEM: ien kautta. Toisin sanoen: Tänään saatat pystyä ”näkemään” atomeja elektronilla.]

Kuinka saimme tämän:

Mutta on olemassa wikipedia-kuva, joka näyttää piikarbidikiteiden pinnalla havaittuja piiatomeja.

Meidän on käytettävä erityyppinen elektroninen mikroskooppi, skannaava tunnelimikroskooppi (STM) .Vaikka TEM toimii periaatteessa samalla tavalla kuin valomikroskooppi, STM käyttää erilaisia käsitteitä. Siksi se on vieläkin poistettu siitä, mitä tavallisesti kutsuisit ”näkemiseksi”. En aio kuvata, miten tämä toimii yksityiskohtaisesti, mutta mikroskooppi koostuu pienestä kärjestä, johon on kytketty jännite, ja se mittaa elektronien tunnelointia koettimeen mittaamalla siten etäisyyden koettimeen. Huippu sitten vaeltaa materiaalin pinnan ja mittaa materiaalin etäisyyden kärkeen monissa pisteissä ja muodostaa sitten koettimen topografisen kuvan, joten se mittaa elektronin tiheyden atomin ympärillä ja siten, kuten ymmärrämme, atomin koon. Tällä tavoin mikä tahansa kohtuullinen STM voi saada noin 0,1 nm: n tarkkuuden ja hyvät STM: t ovat paljon parempia.

Ja näin voimme lopulta nähdä atomeja.

Kommentit

• @ Martin Huomaa toisen vastauksen ja sen alla olevien kommenttien väitteet. Lisäksi linkki, jonka pituus on 0,05 nm, on rikki.
• @Emilio Pisanty: Kiitos vioittuneen linkin osoittamisesta. Löysin muita lähteitä, jotka väittivät samaa ja lisäsin ne. Mainitsemani päätöslauselma on periaatteessa sama kuin t hän uusi vastaus. Teknisesti en ole koskaan väittänyt, että voit ’ nähdä atomeja TEM-laitteilla – kirjoitin, että näet ne – mutta huomautin, että voitit ’ t saa yllä olevan kuvan. Tämä on totta, koska kysymyksen kuva on ehdottomasti STM-kuva. Lisäksi mielestäni päätöslauselma on edelleen parempi, ja voit väittää, että alla olevan STEM: n jälkikäsittely ei myöskään ole ” ”. Mutta yritin selventää tätä.
• Se riippuu tietysti määritelmästäsi ” katso ”, mutta me voi saada kuvia, jotka mallintavat melko lähellä todellisuutta, tekniikoiden ansiosta, kuten atomivoimamikroskopia

Martin yllä oleva lausunto:

Voimmeko nyt ”nähdä” atomeja? Tämä riippuu, kuten jo mainitsin, mitä tarkoitat sanalla ”nähdä”. Jos tarkoitat ”tee kuva näkyvässä valossa”, et voi tehdä sitä.

ei todellakaan ole totta. Yksi voi ota kuvia käyttämällä näkyvää valoa, jossa on yksittäisiä atomeja. Tässä on esimerkki:

(1)

Tämä toimii siksi, että tämä on systeemi, jossa atomit ovat hyvin laimennettuja, paljon enemmän kuin tavallisessa kiinteässä aineessa, ja rajoittuvat erillisiin kohtiin 2D-levyssä.Lisäksi kuvan ottamiseen käytetään 780 nm: n valoa, joka on resonanssi elektronisen siirtymän kanssa näissä Atomit ovat siksi hyvin himmeitä (tämän kuvan valotusaika oli todennäköisesti noin sekunnin korkealaatuisella CCD-kennolla), ja tarvittavan suurennuksen saamiseksi tarvitaan erittäin mukava mikroskooppiasetus, mutta tämä todella on kuva atomista käyttäen samoja periaatteita kuin mikä tahansa solulla otettu kuva n optinen mikroskooppi.

edit: Haluan kuitenkin korostaa, että melkein kaikkien tieteellisten kuvien tavoin tämä on vääränvärinen kuva, jonka vihreä sävy on valittu mielivaltaisesti. Joten ollaksemme uskollisempia sille, mitä todella näkisit, värisävyn tulisi sen sijaan olla atomien valaisevan 780 nm: n valon punertava väri.

Kommentit

• Se ’ on tavallaan huijaaminen, mutta se ’ on hieno kokeilu. Samalla tavalla voidaan käyttää valoa yksittäisten ionien kuvaamiseen ionilukossa, kuten täällä olevissa kuvissa olevat; tässä ionien välinen etäisyys on luokkaa 10 μm (johtuen rajoittavan potentiaalin ja niiden keskinäisen karkotuksen välisestä tasapainosta), joka on noin ~ 20 kertaa pidempi kuin näkyvän valon aallonpituus ja ~ 200 000 pidempi kuin tyypillinen atomien välinen erotus kristallissa.
• @EmilioPisanty Kyllä, tämä on hyvä asia, työ ionien kanssa edeltää yksittäisten neutraalien atomien kuvaamista. Jos kyseessä on ” huijaaminen, ” jätän sen lukijalle ’ s tuomio;) (mutta huomaan, että OP ei millään tavoin täsmentänyt, että hän kysyisi atomeista kiinteästi).