私の知る限り、原子は私たちの想像を超えて小さいです。しかし、ウィキペディアには、炭化ケイ素結晶の表面で観察されたシリコン原子を示す画像があります。
画像：
これらの異なる原子が非常に小さい場合、どうすればこれらの原子を確認できますか？
コメント
- With現在の技術では、原子を見ることができるだけでなく、それらを使用して本格的なアニメーションを作成することもできます： youtube.com/watch?v=oSCX78-8-q0
- @@ Nickかなりかっこいい！ IBM ‘は、この種のことを25年間行ってきました。彼らは1990年にアトムでロゴを作成しました： www-03.ibm.com/ibm/history/exhibits/vintage/ … これは当時本当に大きなニュースでした。
- IBMの人たちは手に余る時間が必要です！
- 関連する更新：単一のアトムの写真。
回答
これは完全にあなたの内容によって異なります「見る」という意味です。まず、次の点に注意してください。
私の知る限り、原子は私たちの想像を超えて小さいです
いいえ。原子は、粒子加速器の構成要素（陽子、電子）など、私たちが遊んでいる他の特定のものと比較して非常に大きいです。原子のサイズは0.1ナノメートルのオーダーです（もちろん、サイズのバリエーションがありますが、今のところ気にするつもりはありません）。ナノメートルは$ 10 ^ {-9} $メートルです。たとえば、陽子は非常に小さく、原子はある意味で非常に大きいため、100年以上前からわかっています実験で分割できないことがわかったので、分割できないこと。
さて、原子を「見る」ことができますか？これは、すでに示唆したように、「見る」とはどういう意味かによって異なります。 。「可視光で写真を撮る」という意味なら、それはできません。顕微鏡法では、完全に設計された顕微鏡で区別できる最小のものは、照らしている光の波長の約半分のサイズでなければならないという経験則があります。これのより正確なバージョンは、 アベ回折限界。可視光の波長は約400〜700ナノメートルです。もちろん、これは原子の直径の約4000〜7000倍なので、光を使って（回折）顕微鏡で原子を見る方法は確かにありません。[コメントで示唆されているように、アッベを回避する方法はいくつかあります。回折限界は、部分的に、通常の顕微鏡法とは非常に異なる技術を使用しています。しかし、原子の分解はまだ達成されていないようです。]
しかし、光以外にも使用できるものがあります。たとえば、光の代わりに電子を使用することができます。量子力学によると、電子は光や他のすべてのものと同じように、波長を持っています。もちろん、私たち人間には電子の優れた検出メカニズムがないため、このような顕微鏡は光学顕微鏡とは少し異なって見えます。つまり、屈折した電子と屈折した電子から画像を作成するには、電子センサーを使用して画像を再作成する必要があります。私が今説明したこのタイプの顕微鏡は、多かれ少なかれ透過型電子顕微鏡（TEM）であり、長い間使用されてきました。今日、このようなタイプの顕微鏡の解像度は約 0.05ナノメートルです（通常、TEMSの解像度は光学顕微鏡の解像度よりも約1000倍優れていますが、いくつかの補正技術を使用すると、 0.05 nm以下の解像度を達成できます） 。これはアトムを見るのにちょうど十分です（初期の写真についてはここを参照してください。他の回答にはより良い最新の写真が含まれています）が、おそらくそうではありませんリンクした画像を見るのに十分な解像度が少し向上します。
[注：数年前、このような画像には次のセクションで説明する顕微鏡が絶対に必要でしたが、今日はできるかもしれません。つまり、今日では、電子で原子を「見る」ことができるかもしれません。]
では、どうやってこれを実現したのでしょうか：
しかし、炭化ケイ素結晶の表面で観察されたシリコン原子を示すウィキペディアの画像があります。
使用する必要があります別のタイプの電子顕微鏡、走査型トンネリング顕微鏡（STM）。TEMは基本的に光学顕微鏡と同じように機能しますが、STMは異なる概念を使用します。したがって、それはあなたが通常「見る」と呼ぶものからさらに取り除かれます。これがどのように機能するかについては詳しく説明しませんが、顕微鏡は電圧が印加された小さな先端で構成され、プローブへの電子のトンネリングを測定し、それによってプローブまでの距離を測定します。その後、ピークは材料の表面を測定し、多くの点で材料の先端までの距離を測定し、プローブの地形画像を作成します。これにより、原子の周囲の電子密度が測定され、それによって、私たちが理解しているように、原子のサイズが測定されます。これにより、妥当なSTMは約0.1 nmの分解能を得ることができ、優れたSTMははるかに優れています。
そして最後に、これが原子の見え方です。
コメント
- @ Martin他の回答とその下のコメントの主張に注意してください。また、0.05nmのリンクが壊れています。
- @Emilio Pisanty：壊れたリンクを指摘してくれてありがとう。同じことを主張している他の情報源を見つけて追加しました。私が引用する解像度は基本的にtの解像度と同じです。彼は新しい答えです。技術的には、’ TEMで原子を見ることができないとは決して主張しませんでした-私はあなたがそれらを見ることができると書きました-しかし、あなたが勝ったと指摘しました’ t上の画像を取得します。質問の写真は間違いなくSTMの写真であるため、これは当てはまります。また、解像度はさらに優れていると思います。以下のSTEMの後処理も” “を参照していないと主張できます。しかし、私はこれを明確にしようとしました。
- もちろん、”の定義によって異なります。”を参照してください。 原子間力顕微鏡
Answer
上記のマーティンの声明：
さて、原子を「見る」ことができますか？これは、私がすでに示唆したように、あなたが「見る」とはどういう意味かによって異なります。 「可視光で写真を撮る」という意味の場合、それはできません。
は実際には完全に真実ではありません。 単一の原子を示す可視光を使用して画像を撮影します。例を次に示します：
これが機能する理由は、これが原子が通常の固体よりもはるかに希薄で、2Dシートの個別のサイトに限定されているシステム。さらに、780 nmの光を使用して画像を撮影します。これは、これらの電子遷移と共鳴します。原子は非常に強く散乱します。原子は非常に薄暗く（この画像は高品質のCCDセンサーで約1秒の露光時間を持っていた可能性があります）、必要な倍率を得るには非常に優れた顕微鏡セットアップが必要ですが、これは実際には、で撮影されたセルの画像と同じ原理を使用した原子の写真です。 n光学顕微鏡。
編集：ただし、ほとんどすべての科学画像と同様に、これは任意に選択された緑の色合いの偽色画像であることを強調する必要があります。したがって、実際に見えるものにより忠実であるためには、カラースケールは、代わりに、原子を照らしている780nmの光の赤みがかった色である必要があります。
コメント
- それは’ちょっと不正行為ですが、’はクールな実験です。同じように、ここの画像のように、光を使用してイオントラップ内の単一イオンを画像化できます。ここで、イオン間距離は10μmのオーダーであり（閉じ込めポテンシャルとそれらの相互反発の間の平衡から生じる）、これは可視光の波長よりも約20倍長く、通常の原子間分離よりも約200,000長くなります。
- @EmilioPisantyはい、これは良い点です。イオンを使った作業は、個々の中性原子のイメージングよりも前からあります。これが”不正行為であるかどうかについては、”読者にお任せします’ sの判断;）（ただし、OPは、固体内の原子について質問していることを指定していません）。
回答
これは、収差補正走査透過電子顕微鏡から得られたSc2O3ナノ結晶の画像です。
左の画像は、材料を通過することによって曲げられた/偏向された電子のみを測定することによって記録されています（この場合、酸素原子はあまりよく見えません）
上の画像右は、材料を通過するすべての電子を測定します。 （この場合、酸素とスカンジウムの列が非常にはっきりと見えます。この場合、5原子程度の列です）
この場合、原子の列が表示されますが、断層撮影STEMが存在し、材料内の個々の原子の3D位置
STEMは、電子をサンプルに送り、それらの電子がどのように散乱、吸収、または伝達されるかを記録することで動作します。
原子は光の波長よりもはるかに小さいため、光を使用して原子を見ることができません。
しかし、電子の波長ははるかに小さいため、光よりもはるかに小さい特徴を調べることができます。許可したいと思うかもしれません
この画像の解像度は約70ピコメーター（0.07 nm）で、原子の「直径」はおよそ0.1 nm … 10 ^（-10）メートルです。原子を見るのに十分な解像度
前の答えとは逆に、実際には、STEMとTEMを使用して原子を非常にうまく画像化できます
さらに最新のSTEMは、方法に基づいて原子を化学的に識別できます電子ビームはサンプルを通して偏向します。
原子内の電子が多い=>偏向が大きい。
したがって、原子を見ることができるだけでなく、原子を見ながらその化学的性質や物理的特性を調べることもできます！
以下は、Nd3 +：Sc2O3ナノ結晶の画像です。明るい点はNd原子に対応します（電子の数がはるかに多いため）
David B. Williamsともう1つのTransmissionElectron Microscopy：A Textbook for Materials Science（4 Vol set）
すべての電子マイクロスクーイに関する非常に徹底的で完全な情報源です
JOEL ARM200Fで記録された画像と、ガタンでフィルタリングおよび分析されたフーリエ空間
コメント
- すべての画像と申し立てのソースを提供してください。
- 同様に、自分で実験を行いましたか？その場合、’は、方法を説明している論文への適切な参照を提供する必要があることを理解します。また、コメントに投稿するだけでなく、編集ボタンを使用して投稿に参照を含めてください。
- 私の反対票ではありませんが、（1）他の回答はそのような主張をしません。（2）あなたのテクニカルライティングは改善する必要があり、（3）特に主張が以前の内容に反する場合は、適切な参照を含める必要があります。 （’が間違っていると言っているのではなく、’私はあなたがI-say-so以上のものを必要としていると言っています。）リンク制限-これはスパムに対するシステム防御です。投稿にレファレンスをマークし、コメントにリンクを含めると、リンクで編集できますが、従来のジャーナルレファレンスで十分な場合は、実際にはURLは必要ありません’
- 他の回答を詳しく読んでください。その段落では、TEM顕微鏡について具体的に説明しています。 Martin ‘の主張と特に矛盾する証拠をまだ作成していません。執筆中、特にこのような一般的な興味のあるスレッドでは、現在のテキストでは取り上げられていない一般の読者向けに執筆する必要があります。それは反対票の1つの原因かもしれません。現在のテキストは断片化されており、読みにくく、一般的に前の回答よりもはるかにアクセスしにくいです。
- 私も’あなたについて議論するつもりはありません-これおそらくここでの私の最後のコメントです-そして私は’あなたが戦うべきものではありません。あなたはおそらくそこに潜んでいる素晴らしい答えを持っているでしょう。私は’あなたが引き出すのを手伝おうとしましたが、最終的には（私の見解では）それは’ ‘があなたの’を読んでいる一般の聴衆を遠ざけない段階まで、テクニカルライティングを改善するのはあなた次第です。役職。良い一日です！
上記のマーティンの声明：
さて、原子を「見る」ことができますか？これは、私がすでに示唆したように、あなたが「見る」とはどういう意味かによって異なります。 「可視光で写真を撮る」という意味の場合、それはできません。
は実際には完全に真実ではありません。 単一の原子を示す可視光を使用して画像を撮影します。例を次に示します：
これが機能する理由は、これが原子が通常の固体よりもはるかに希薄で、2Dシートの個別のサイトに限定されているシステム。さらに、780 nmの光を使用して画像を撮影します。これは、これらの電子遷移と共鳴します。原子は非常に強く散乱します。原子は非常に薄暗く（この画像は高品質のCCDセンサーで約1秒の露光時間を持っていた可能性があります）、必要な倍率を得るには非常に優れた顕微鏡セットアップが必要ですが、これは実際には、で撮影されたセルの画像と同じ原理を使用した原子の写真です。 n光学顕微鏡。
編集：ただし、ほとんどすべての科学画像と同様に、これは任意に選択された緑の色合いの偽色画像であることを強調する必要があります。したがって、実際に見えるものにより忠実であるためには、カラースケールは、代わりに、原子を照らしている780nmの光の赤みがかった色である必要があります。
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- それは’ちょっと不正行為ですが、’はクールな実験です。同じように、ここの画像のように、光を使用してイオントラップ内の単一イオンを画像化できます。ここで、イオン間距離は10μmのオーダーであり（閉じ込めポテンシャルとそれらの相互反発の間の平衡から生じる）、これは可視光の波長よりも約20倍長く、通常の原子間分離よりも約200,000長くなります。
- @EmilioPisantyはい、これは良い点です。イオンを使った作業は、個々の中性原子のイメージングよりも前からあります。これが”不正行為であるかどうかについては、”読者にお任せします’ sの判断;）（ただし、OPは、固体内の原子について質問していることを指定していません）。
これは、収差補正走査透過電子顕微鏡から得られたSc2O3ナノ結晶の画像です。
左の画像は、材料を通過することによって曲げられた/偏向された電子のみを測定することによって記録されています（この場合、酸素原子はあまりよく見えません）
上の画像右は、材料を通過するすべての電子を測定します。 （この場合、酸素とスカンジウムの列が非常にはっきりと見えます。この場合、5原子程度の列です）
この場合、原子の列が表示されますが、断層撮影STEMが存在し、材料内の個々の原子の3D位置
STEMは、電子をサンプルに送り、それらの電子がどのように散乱、吸収、または伝達されるかを記録することで動作します。
原子は光の波長よりもはるかに小さいため、光を使用して原子を見ることができません。
しかし、電子の波長ははるかに小さいため、光よりもはるかに小さい特徴を調べることができます。許可したいと思うかもしれません
この画像の解像度は約70ピコメーター（0.07 nm）で、原子の「直径」はおよそ0.1 nm … 10 ^（-10）メートルです。原子を見るのに十分な解像度
前の答えとは逆に、実際には、STEMとTEMを使用して原子を非常にうまく画像化できます
さらに最新のSTEMは、方法に基づいて原子を化学的に識別できます電子ビームはサンプルを通して偏向します。
原子内の電子が多い=>偏向が大きい。
したがって、原子を見ることができるだけでなく、原子を見ながらその化学的性質や物理的特性を調べることもできます！
以下は、Nd3 +：Sc2O3ナノ結晶の画像です。明るい点はNd原子に対応します（電子の数がはるかに多いため）
David B. Williamsともう1つのTransmissionElectron Microscopy：A Textbook for Materials Science（4 Vol set）
すべての電子マイクロスクーイに関する非常に徹底的で完全な情報源です
JOEL ARM200Fで記録された画像と、ガタンでフィルタリングおよび分析されたフーリエ空間
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- すべての画像と申し立てのソースを提供してください。
- 同様に、自分で実験を行いましたか？その場合、’は、方法を説明している論文への適切な参照を提供する必要があることを理解します。また、コメントに投稿するだけでなく、編集ボタンを使用して投稿に参照を含めてください。
- 私の反対票ではありませんが、（1）他の回答はそのような主張をしません。（2）あなたのテクニカルライティングは改善する必要があり、（3）特に主張が以前の内容に反する場合は、適切な参照を含める必要があります。 （’が間違っていると言っているのではなく、’私はあなたがI-say-so以上のものを必要としていると言っています。）リンク制限-これはスパムに対するシステム防御です。投稿にレファレンスをマークし、コメントにリンクを含めると、リンクで編集できますが、従来のジャーナルレファレンスで十分な場合は、実際にはURLは必要ありません’
- 他の回答を詳しく読んでください。その段落では、TEM顕微鏡について具体的に説明しています。 Martin ‘の主張と特に矛盾する証拠をまだ作成していません。執筆中、特にこのような一般的な興味のあるスレッドでは、現在のテキストでは取り上げられていない一般の読者向けに執筆する必要があります。それは反対票の1つの原因かもしれません。現在のテキストは断片化されており、読みにくく、一般的に前の回答よりもはるかにアクセスしにくいです。
- 私も’あなたについて議論するつもりはありません-これおそらくここでの私の最後のコメントです-そして私は’あなたが戦うべきものではありません。あなたはおそらくそこに潜んでいる素晴らしい答えを持っているでしょう。私は’あなたが引き出すのを手伝おうとしましたが、最終的には（私の見解では）それは’ ‘があなたの’を読んでいる一般の聴衆を遠ざけない段階まで、テクニカルライティングを改善するのはあなた次第です。役職。良い一日です！