È possibile “ vedere ” atomi?

Dipende interamente da ciò che significa “vedere”. Vorrei iniziare notando:

Per quanto ne so, gli atomi sono piccoli oltre la nostra immaginazione

No. Gli atomi sono abbastanza grandi rispetto ad altre cose con cui giochiamo, come i suoi costituenti (protoni, elettroni) negli acceleratori di particelle. La dimensione degli atomi è dellordine di 0,1 nanometri (ovviamente, cè una variazione nella dimensione , ma non mi preoccuperò per ora). nanometro è $ 10 ^ {- 9} $ metri. I protoni, ad esempio, sono molto più piccoli e gli atomi sono in un certo senso così grandi che conosciamo da oltre cento anni che non sono indivisibili, perché negli esperimenti abbiamo visto che non lo sono.

Ora, possiamo “vedere” gli atomi? Questo dipende, come ho già accennato, cosa intendi per “vedere” Se intendi “fare una foto in luce visibile”, allora non puoi farlo. In microscopia, cè una regola pratica secondo cui le cose più piccole che puoi distinguere con un microscopio perfettamente ingegnerizzato devono avere una dimensione di circa la metà della lunghezza donda della luce che stai risplendendo. La versione più esatta di questo è conosciuta come Abbé difraction limit . La luce visibile ha una lunghezza donda di circa 400-700 nanometri. Ovviamente è circa 4000-7000 volte il diametro dellatomo, quindi non cè davvero modo di vedere un atomo con un microscopio (a diffrazione) usando la luce. [Come suggerito nei commenti, ci sono una serie di metodi per aggirare Abbé “s limite di diffrazione utilizzando, in parte, tecniche molto diverse dalla normale microscopia. Sembra, tuttavia, che non sia stata ancora raggiunta una risoluzione degli atomi.]

Ma ci sono altre cose oltre alla luce che possiamo usare. Potremmo, ad esempio, usare gli elettroni al posto della luce. La meccanica quantistica ci dice che gli elettroni, proprio come la luce e tutto il resto, hanno una lunghezza donda . Naturalmente, un simile microscopio sembra un po diverso da un microscopio ottico, perché noi umani non abbiamo un buon meccanismo di rilevamento degli elettroni. Ciò significa che, per creare unimmagine dagli elettroni rifratti e difratti, dobbiamo utilizzare sensori elettronici e quindi ricreare limmagine. Questo tipo di microscopio che ho appena descritto è più o meno un microscopio elettronico a trasmissione (TEM) e sono in circolazione da molto tempo. Oggi, questi tipi di microscopi hanno una risoluzione di circa 0,05 nanometri (i normali TEMS sono talvolta citati per avere una risoluzione di circa 1000 volte migliore della risoluzione dei microscopi ottici, ma utilizzando alcune tecniche di correzione si possono ottenere risoluzioni di 0,05 nm e forse inferiori ) . Questo è più o meno sufficiente per vedere un atomo (vedi qui per una prima immagine, laltra risposta contiene immagini migliori e più recenti), ma probabilmente non lo è abbastanza per vedere limmagine che hai collegato per avere una risoluzione leggermente migliore.

[Nota: alcuni anni fa, avevi sicuramente bisogno del microscopio che descrivo nella prossima sezione per unimmagine del genere, oggi potresti essere in grado per ottenerlo anche tramite TEM. In altre parole: oggi potresti essere in grado di “vedere” gli atomi con gli elettroni.]

Allora come abbiamo ottenuto questo:

Ma cè unimmagine di Wikipedia che mostra atomi di silicio osservati sulla superficie dei cristalli di carburo di silicio.

Dobbiamo usare un diverso tipo di microscopio elettronico, un microscopio a scansione a tunnel (STM) .Mentre il TEM funziona fondamentalmente come un microscopio ottico, lSTM utilizza concetti diversi. Pertanto, è ancora più lontano da ciò che normalmente chiamereste “vedere”. Non ho intenzione di descrivere in dettaglio come funziona, ma il microscopio è costituito da una piccola punta con una tensione applicata e misura il tunneling degli elettroni nella sonda, misurando così la distanza dalla sonda. Il picco vaga quindi sul superficie del materiale e misura la distanza del materiale dalla punta in molti punti, quindi costruisce unimmagine topografica della sonda. Quindi misura la densità elettronica attorno allatomo e quindi, per come la intendiamo, la dimensione dellatomo. Con questo, qualsiasi STM ragionevole può ottenere una risoluzione di circa 0,1 nm e un buon STM è molto migliore.

E questo, finalmente, è come possiamo vedere gli atomi.

Commenti

• @ Martin Nota le affermazioni nellaltra risposta e nei commenti sotto di essa. Inoltre, il collegamento a 0,05 nm è interrotto.
• @Emilio Pisanty: Grazie per aver segnalato il collegamento interrotto. Ho trovato altre fonti che affermano lo stesso e le ho aggiunte. La risoluzione che cito è fondamentalmente la stessa di quella in t la nuova risposta. Tecnicamente, non ho mai affermato che puoi ‘ t vedere gli atomi con i TEM – ho scritto che puoi vederli – ma ho fatto notare che hai vinto ‘ t ottenere limmagine sopra. Questo rimane vero, perché limmagine della domanda è sicuramente unimmagine STM. Inoltre, mi sembra che la risoluzione sia ancora migliore e potresti sostenere che anche la post-elaborazione dello STEM di seguito non è ” vedere “. Ma ho cercato di chiarire questo aspetto.
• Naturalmente dipende dalla tua definizione di ” vedi “, ma noi può ottenere immagini che modellano abbastanza vicino alla realtà, grazie a tecniche come microscopia a forza atomica

La dichiarazione di Martin sopra:

Ora, possiamo “vedere” gli atomi? Questo dipende, come ho già accennato, cosa intendi per “vedere”. Se intendi “crea unimmagine in luce visibile”, allora non puoi “farlo.

in realtà non è del tutto vero. scatta immagini utilizzando la luce visibile che mostra singoli atomi. Ecco un esempio:

(1)

Il motivo per cui funziona è che si tratta di un sistema in cui gli atomi sono molto diluiti, molto più che in un solido regolare, e sono confinati a siti discreti in un foglio 2D. Inoltre, la luce a 780 nm viene utilizzata per acquisire limmagine, che risuona con una transizione elettronica in questi atomi e quindi è disperso in modo molto forte. Gli atomi sono molto deboli (questa immagine probabilmente aveva un tempo di esposizione di circa un secondo con un sensore CCD di alta qualità), ed è necessaria una configurazione molto bella del microscopio per ottenere lingrandimento necessario, ma questo è davvero unimmagine degli atomi che utilizza gli stessi principi di qualsiasi immagine di una cellula scattata con a n microscopio ottico.

modifica: devo sottolineare, tuttavia, che come quasi tutte le immagini scientifiche questa è unimmagine in falsi colori con la tonalità di verde scelta arbitrariamente. Quindi, per essere più fedeli a ciò che si vedrebbe effettivamente, la scala dei colori dovrebbe invece essere il colore rossastro della luce a 780 nm che illumina gli atomi.

Commenti

• Questo ‘ è un po inganno, ma ‘ un esperimento interessante. Sulla stessa linea, si può usare la luce per visualizzare singoli ioni in una trappola ionica, come quelli nelle le immagini qui ; qui la distanza inter-ionica è dellordine di 10 μm (risultante dallequilibrio tra il potenziale di confinamento e la loro reciproca repulsione), che è circa ~ 20 volte più lunga della lunghezza donda della luce visibile e ~ 200.000 più lunga della tipica separazione interatomica in un cristallo.
• @EmilioPisanty Sì, questo è un buon punto, il lavoro con gli ioni precede limaging di singoli atomi neutri. Per quanto riguarda se si tratta di ” barare, ” lo lascerò al lettore ‘ s giudizio;) (ma vorrei notare che lOP non ha in alcun modo specificato che stava chiedendo degli atomi in un solido).

Questa è unimmagine di un nanocristallo Sc2O3 ottenuto da un microscopio elettronico a trasmissione a scansione corretta per abberazione.

Limmagine a sinistra viene registrata misurando solo gli elettroni che sono stati piegati / deviati passando attraverso il materiale (in questo caso non vediamo molto bene gli atomi di ossigeno)

Limmagine su il diritto misura tutti gli elettroni che passano attraverso il materiale. (In questo caso vediamo abbastanza chiaramente colonne di ossigeno e scandio – che, in questo caso, sono colonne di 5 atomi o giù di lì)

In questo caso vediamo colonne di atomi ma esistono STEM tomografici e possono riprodurre il Posizioni 3D di singoli atomi in un materiale

Gli STEM funzionano inviando elettroni in un campione e registrando come questi elettroni vengono dispersi, assorbiti o trasmessi in modo del tutto analogo a come funzionano i microscopi ottici, solo gli elettroni hanno una lunghezza donda MOLTO inferiore a luce.

Non possiamo vedere gli atomi usando la luce perché gli atomi sono molto molto più piccoli della lunghezza donda della luce.

Ma gli elettroni hanno una lunghezza donda molto più piccola che ci permette di sondare caratteristiche molto più piccole della luce potrebbe sperare di consentire

Questa immagine ha una risoluzione di circa 70 picometri (0,07 nm) e gli atomi hanno “diametri” di circa 0,1 nm … 10 ^ (- 10) metri. Risoluzione più che sufficiente per vedere gli atomi

Contrariamente alla risposta precedente possiamo, in effetti, visualizzare gli atomi molto bene usando STEM e TEM

Inoltre i moderni STEM possono identificare chimicamente gli atomi in base a come il fascio di elettroni devia attraverso il campione.

Più elettroni negli atomi => maggiore deflessione.

Quindi non solo possiamo vedere gli atomi, ma possiamo anche studiarne la chimica e le proprietà fisiche mentre li guardiamo!

Di seguito cè unimmagine di un nanocristallo Nd3 +: Sc2O3. I punti più luminosi corrispondono agli atomi Nd (a causa del loro numero molto maggiore di elettroni)

David B. Williams e 1 altro Microscopia elettronica a trasmissione: A Textbook for Materials Science (4 Vol set)

È una fonte molto approfondita e completa su tutto ciò che riguarda i micriscooy elettronici

Immagini registrate con un JOEL ARM200F e uno spazio di Fourier filtrate e analizzate con gatan

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• Leggi laltra risposta in dettaglio: quel paragrafo parla specificamente dei microscopi TEM. Devi ancora produrre prove che contraddicono specificamente le affermazioni di Martin ‘. Sulla scrittura, in particolare su thread di interesse generale come questo, è necessario scrivere per un pubblico generale, cosa che il testo corrente non affronta; questa potrebbe essere una fonte di voti negativi. Il testo attuale è frammentato, difficile da leggere e generalmente molto meno accessibile della risposta precedente.
• Non ‘ intendo discutere di te, neanche questo è probabilmente il mio commento finale qui – e io ‘ sicuramente non sono quello con cui dovresti combattere. Probabilmente hai unottima risposta in agguato lì dentro che ‘ ho cercato di aiutarti a far emergere, ma alla fine (a mio avviso) ‘ sta a te migliorare la tua scrittura tecnica in una fase in cui ‘ non stai alienando il pubblico generale che ‘ sta leggendo i tuoi inviare. Buon giorno!