Est-il possible de “ voir ” des atomes?

Cela dépend entièrement de ce que vous signifie par « voir ». Permettez-moi de commencer par noter:

À ma connaissance, les atomes sont petits au-delà de notre imagination

Non. Les atomes sont assez gros comparés à certaines autres choses avec lesquelles nous jouons, comme ses constituants (protons, électrons) dans les accélérateurs de particules. La taille des atomes est de lordre de 0,1 nanomètre (bien sûr, il y a une variation de taille , mais je « ne vais pas men soucier pour linstant). nanomètre est de 10 $ ^ {- 9} $ mètres. Les protons, par exemple, sont beaucoup plus petits et les atomes sont si gros que nous savons depuis plus de cent ans maintenant quils ne sont pas indivisibles, car nous avons vu dans des expériences quils ne le sont pas.

Maintenant, pouvons-nous « voir » des atomes? Cela dépend, comme je lai déjà dit, de ce que vous entendez par « voir » Si vous voulez dire « faire une image en lumière visible », vous ne pouvez « pas faire cela. En microscopie, il y a une règle de base selon laquelle les plus petites choses que vous pouvez distinguer avec un microscope parfaitement conçu doivent avoir une taille denviron la moitié de la longueur donde de la lumière que vous faites briller. La version la plus exacte de ceci est connue sous le nom de Limite de difraction Abbé . La lumière visible a une longueur donde denviron 400 à 700 nanomètres. Cest bien sûr environ 4 000 à 7 000 fois plus que le diamètre de latome, donc il ny a en effet aucun moyen de voir un atome avec un microscope (à diffraction) utilisant la lumière. [Comme suggéré dans les commentaires, il existe un certain nombre de méthodes pour contourner Abbé « s limite de diffraction utilisant, par parties, des techniques très différentes de la microscopie habituelle. Il semble, cependant, quune résolution des atomes ne soit pas encore atteinte.]

Mais il y a dautres choses que la lumière que nous pouvons utiliser. Nous pourrions, par exemple, utiliser des électrons au lieu de la lumière. La mécanique quantique nous dit que les électrons, tout comme la lumière et tout le reste, ont une longueurs donde . Bien sûr, un tel microscope est un peu différent dun microscope optique, car nous, les humains, navons pas de bon mécanisme de détection des électrons. Cela signifie que pour créer une image à partir des électrons réfractés et difractés, nous devons utiliser des capteurs électroniques, puis recréer limage. Ce type de microscope que je viens de décrire est plus ou moins un microscope électronique à transmission (TEM) et ils existent depuis longtemps. Aujourdhui, ces types de microscopes ont une résolution denviron 0,05 nanomètre (les TEMS habituels sont parfois cités pour avoir une résolution environ 1 000 fois meilleure que la résolution des microscopes optiques, mais en utilisant certaines techniques de correction , on peut atteindre des résolutions de 0,05 nm et peut-être inférieures ) . Cest à peu près suffisant pour voir un atome (voir ici pour une première image, lautre réponse contient des images meilleures et plus récentes), mais ce nest probablement pas assez pour voir limage que vous avez liée pour avoir une résolution légèrement meilleure.

[Note: il y a quelques années, vous aviez vraiment besoin du microscope que je décris dans la section suivante pour une telle image, aujourdhui vous pourriez être en mesure pour y parvenir via TEM également. En dautres termes: Aujourdhui, vous pourrez peut-être « voir » des atomes avec des électrons.]

Alors, comment avons-nous obtenu ceci:

Mais il existe une image wikipedia qui montre des atomes de silicium observés à la surface des cristaux de carbure de silicium.

Nous devons utiliser un autre type de microscope électronique, un microscope à effet tunnel (STM) .Alors que le TEM fonctionne fondamentalement de la même manière quun microscope optique, le STM utilise différents concepts. Par conséquent, il est encore plus éloigné de ce que vous appelleriez habituellement « voir ». Je ne vais pas décrire comment cela fonctionne en détail, mais le microscope se compose dune petite pointe avec une tension appliquée et il mesure le tunnel des électrons dans la sonde, mesurant ainsi la distance à la sonde. Le pic erre alors sur le surface de votre matériau et mesure la distance du matériau à la pointe en de nombreux points, puis en construisant une image topographique de la sonde.Ainsi, il mesure la densité électronique autour de latome et donc, comme nous le comprenons, la taille de latome. Avec cela, nimporte quel STM raisonnable peut obtenir une résolution denviron 0,1 nm et les bons STM sont bien meilleurs.

Et cest enfin ainsi que nous pouvons voir les atomes.

Commentaires

• @ Martin Notez les affirmations dans lautre réponse et dans les commentaires ci-dessous. De plus, le lien à 0,05 nm est rompu.
• @Emilio Pisanty: Merci davoir signalé le lien rompu. Jai trouvé dautres sources affirmant la même chose et les ai ajoutées. La résolution que je cite est fondamentalement la même que celle de t il nouvelle réponse. Techniquement, je nai jamais prétendu que vous ne pouviez ‘ voir des atomes avec des TEM – jai écrit que vous pouvez les voir – mais jai souligné que vous aviez gagné ‘ t obtenir limage ci-dessus. Cela reste vrai, car limage de la question est définitivement une image de la STM. De plus, jai limpression que la résolution est encore meilleure et vous pourriez dire que le post-traitement du STEM ci-dessous nest pas non plus  » voir « . Mais jai essayé de clarifier ceci.
• Cela dépend bien sûr de votre définition de  » voir « , mais nous peut obtenir des images qui modélisent assez près de la réalité, grâce à des techniques telles que microscopie à force atomique

La déclaration de Martin ci-dessus:

Maintenant, pouvons-nous « voir » des atomes? Cela dépend, comme je lai déjà dit, de ce que vous entendez par «voir». Si vous voulez dire « faire une image en lumière visible », alors vous ne pouvez « pas faire ça.

nest en fait pas tout à fait vrai. Un peut prenez des images en utilisant la lumière visible qui montrent des atomes uniques. Voici un exemple:

(1)

La raison pour laquelle cela fonctionne est quil sagit dun système dans lequel les atomes sont très dilués, beaucoup plus que dans un solide régulier, et sont confinés à des sites discrets dans une feuille 2D. De plus, la lumière à 780 nm est utilisée pour prendre limage, qui résonne avec une transition électronique dans ces Les atomes sont très faibles (cette image avait probablement un temps dexposition denviron une seconde avec un capteur CCD de haute qualité), et une très belle configuration de microscope est nécessaire pour obtenir le grossissement nécessaire, mais cela est vraiment une image des atomes utilisant les mêmes principes que nimporte quelle image dune cellule prise avec un n microscope optique.

edit: Je dois souligner, cependant, que comme presque toutes les images scientifiques, cest une image en fausses couleurs avec la nuance verte choisie arbitrairement. Donc, pour être plus fidèle à ce que lon verrait réellement, léchelle de couleurs devrait plutôt être la couleur rougeâtre de la lumière à 780 nm qui illumine les atomes.

Commentaires

• Cest ‘ un peu tricher mais cest ‘ une expérience sympa. Dans le même ordre didées, on peut utiliser la lumière pour imager des ions uniques dans un piège à ions, comme ceux des les images ici ; ici la distance inter-ionique est de lordre de 10 μm (résultant de léquilibre entre le potentiel de confinement et leur répulsion mutuelle), soit environ ~ 20 fois plus longue que la longueur donde de la lumière visible et ~ 200.000 plus longue que la séparation interatomique typique dans un cristal.
• @EmilioPisanty Oui cest un bon point, le travail avec des ions est antérieur à limagerie datomes neutres individuels. Quant à savoir sil sagit de  » tricherie,  » je laisserai cela au lecteur ‘ s jugement;) (mais je noterais que lOP na en aucun cas spécifié quil posait des questions sur les atomes dun solide).

Ceci est une image dun nanocristal de Sc2O3 obtenu à partir dun microscope électronique à transmission à balayage avec correction daberration.

Limage de gauche est enregistrée en mesurant uniquement les électrons qui ont été courbés / déviés en passant à travers le matériau (dans ce cas, nous ne voyons pas très bien les atomes doxygène)

Limage sur la droite mesure tous les électrons qui traversent le matériau. (Dans ce cas, nous voyons assez clairement des colonnes doxygène et de scandium – qui, dans ce cas, sont des colonnes de 5 atomes environ)

Dans ce cas, nous voyons des colonnes datomes mais des STEM tomographiques existent et peuvent reproduire le Emplacements 3D datomes individuels dans un matériau

Les STEM fonctionnent en envoyant des électrons dans un échantillon et en enregistrant la façon dont ces électrons sont diffusés, absorbés ou transmis de manière tout à fait analogue à la façon dont les microscopes optiques fonctionnent, seuls les électrons ont une longueur donde BEAUCOUP plus petite que la lumière.

Nous ne pouvons pas voir les atomes utiliser la lumière parce que les atomes sont beaucoup plus petits que la longueur donde de la lumière.

Mais les électrons ont une longueur donde beaucoup plus petite nous permettant de sonder des caractéristiques beaucoup plus petites que la lumière pourrait espérer permettre

Cette image a une résolution denviron 70 picomètres (0,07 nm) et les atomes ont des « diamètres » denviron 0,1 nm … 10 ^ (- 10) mètres. Résolution plus que suffisante pour voir les atomes

Contrairement à la réponse précédente, nous pouvons, en fait, très bien imager les atomes en utilisant des STEM et des TEM

De plus, les STEM modernes peuvent identifier chimiquement les atomes en fonction de la façon dont le faisceau délectrons dévie à travers léchantillon.

Plus délectrons dans les atomes => plus grande déviation.

Ainsi, non seulement nous pouvons voir des atomes, mais nous pouvons également étudier leur chimie et leurs propriétés physiques pendant que nous les regardons!

Voici une image dun nanocristal Nd3 +: Sc2O3. Les points les plus brillants correspondent aux atomes de Nd (en raison de leur plus grand nombre délectrons)

David B. Williams et 1 autre Microscopie électronique à transmission: un manuel pour la science des matériaux (ensemble de 4 volumes)

Est une source très approfondie et complète sur tout ce qui concerne le micriscooy électronique

Images enregistrées avec un JOEL ARM200F et un espace de Fourier filtrées et analysées avec gatan

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• Lisez lautre réponse en détail – ce paragraphe parle spécifiquement des microscopes TEM. Vous navez pas encore produit de preuves qui contredisent spécifiquement les affirmations de Martin ‘. Sur lécriture, en particulier sur les fils dintérêt général comme celui-ci, vous devez écrire pour un public général, ce que le texte actuel naborde pas; cela peut être une source de votes négatifs. Le texte actuel est fragmenté, difficile à lire et généralement beaucoup moins accessible que la réponse précédente.
• Je nai ‘ pas lintention de débattre de vous non plus – ce est probablement mon dernier commentaire ici – et je ‘ ne suis certainement pas celui que vous devriez combattre. Vous avez probablement une excellente réponse cachée là-dedans que jai ‘ essayé de vous aider à faire ressortir, mais finalement (à mon avis) elle ‘ est à vous d’améliorer votre rédaction technique à un stade où vous ‘ ne vous aliénez pas le grand public qui ‘ lit votre Publier. Bonne journée!