Er det mulig å “ se ” atomer?

Dette kommer helt an på hva du mener med «se». La meg begynne med å merke:

At min kunnskap er atomer er små utenfor vår forestilling

Nei Atomer er ganske store sammenlignet med visse andre ting vi leker med, som bestanddelene (protoner, elektroner) i partikkelakseleratorer. Størrelsen på atomer er i størrelsesorden 0,1 nanometer (det er selvfølgelig en variasjon i størrelse , men jeg kommer ikke til å bry meg for nå). A nanometer er $ 10 ^ {- 9} $ meter. Protoner er for eksempel veldig mye mindre og atomer er på en måte så store at vi vet i over hundre år nå at de ikke kan deles ut, fordi vi i eksperimenter har sett at de ikke er det.

Kan vi nå «se» atomer? Dette avhenger, som jeg allerede antydet, hva du mener med «se» Hvis du mener «lage et bilde i synlig lys», kan du ikke gjøre det. I mikroskopi er det en tommelfingerregel at de minste tingene du kan skille med et perfekt konstruert mikroskop, må ha en størrelse på omtrent halvparten av bølgelengden til lyset du skinner på. Den mer nøyaktige versjonen av dette er kjent som Abbé-avbrekkingsgrense . Synlig lys har en bølgelengde på omtrent 400-700 nanometer. Dette er selvfølgelig omtrent 4000-7000 ganger så mye som atomets diameter, så det er faktisk ingen måte vi kan se et atom med et (diffraksjon) mikroskop ved hjelp av lys. [Som foreslått i kommentarene, er det en rekke metoder for å komme seg rundt Abbés diffraksjonsgrense ved å bruke deler av veldig forskjellige teknikker enn vanlig mikroskopi. Det ser imidlertid ut til at en oppløsning av atomer ikke er oppnådd ennå.]

Men det er andre ting i tillegg til lys vi kan bruke. Vi kunne for eksempel bruke elektroner i stedet for lys. Kvantemekanikk forteller oss at elektroner, akkurat som lys og alt annet, har en bølgelengder . Selvfølgelig ser et slikt mikroskop litt annerledes ut enn et lysmikroskop, fordi vi mennesker ikke har noen god deteksjonsmekanisme for elektroner. Dette betyr at vi må bruke elektroniske sensorer for å lage et bilde av de brytede og ødelagte elektronene og deretter gjenskape bildet. Denne typen mikroskop som jeg nettopp har beskrevet, er mer eller mindre et overføringselektronmikroskop (TEM) og de har eksistert lenge. I dag har slike typer mikroskoper en oppløsning på omtrent 0,05 nanometer (vanlige TEMS blir noen ganger sitert for å ha en oppløsning omtrent 1000 ganger bedre enn oppløsningen til lysmikroskoper, men ved å bruke noen korreksjonsteknikker kan man oppnå oppløsninger på 0,05 nm og kanskje under ) . Dette er omtrent nok til å se et atom (se her for et tidlig bilde, det andre svaret inneholder bedre og nyere bilder), men det er sannsynligvis ikke nok til å se bildet du koblet til har en litt bedre oppløsning.

[Merk: for noen år siden trengte du absolutt mikroskopet jeg beskriver i neste avsnitt for et slikt bilde, i dag kan du kanskje for å oppnå det via TEM også. Med andre ord: I dag kan du kanskje «se» atomer med elektroner.]

Så hvordan fikk vi dette:

Men det er et wikipedia-bilde som viser silisiumatomer observert på overflaten av silisiumkarbidkrystaller.

Vi må bruke en annen type elektronisk mikroskop, et skanningstunnelmikroskop (STM) .Mens TEM fungerer i utgangspunktet det samme som et lysmikroskop, bruker STM forskjellige konsepter. Derfor er den enda mer fjernet fra det du vanligvis vil kalle «å se». Jeg kommer ikke til å beskrive hvordan dette fungerer i detalj, men mikroskopet består av et lite tips med en spenning påført og det måler tunnelen av elektroner inn i sonden, og måler dermed avstanden til sonden. Toppen vandrer deretter over overflaten av materialet ditt og måler avstanden til materialet til spissen på mange punkter, og konstruerer deretter et topografisk bilde av sonden. Så det måler elektrondensiteten rundt atomet og derved størrelsen på atomet, slik vi forstår det. Med dette kan enhver fornuftig STM få en oppløsning på ca. 0,1 nm og gode STM er mye bedre.

Og til slutt er det slik vi kan se atomer.

Kommentarer

• @ Martin Legg merke til påstandene i det andre svaret og i kommentarene under det. Dessuten er lenken på 0,05 nm brutt.
• @Emilio Pisanty: Takk for at du påpekte den ødelagte lenken. Jeg fant andre kilder som hevdet det samme og la dem til. Oppløsningen jeg siterer er i utgangspunktet den samme enn den i t han nye svaret. Teknisk sett har jeg aldri hevdet at du kan ‘ t se atomer med TEM – jeg skrev at du kan se dem – men jeg påpekte at du vant ‘ t få bildet over. Dette forblir sant, fordi bildet av spørsmålet definitivt er et STM-bilde. Også, jeg føler at oppløsningen fremdeles er bedre, og du kan argumentere for at etterbehandlingen av STEM nedenfor ikke er » ser «. Men jeg prøvde å avklare dette.
• Det kommer selvfølgelig an på definisjonen din av » se «, men vi kan få bilder som modellerer ganske nær virkeligheten, takket være teknikker som atomkraftmikroskopi

Uttalelsen fra Martin ovenfor:

Kan vi nå «se» atomer? Dette avhenger, som jeg allerede antydet, hva du mener med «se». Hvis du mener «lage et bilde i synlig lys», kan du ikke gjøre det.

er faktisk ikke helt sant. En kan ta bilder med synlig lys som viser enkeltatomer. Her er et eksempel:

(1)

Årsaken til at dette fungerer er at dette er en system der atomene er veldig fortynnede, mye mer enn i et vanlig fast stoff, og er begrenset til diskrete steder i et 2D-ark. Videre brukes lys ved 780 nm for å ta bildet, som er resonansfull med en elektronisk overgang i disse atomer og er derfor spredt veldig sterkt. Atomer er veldig svake (dette bildet hadde sannsynligvis en eksponeringstid på rundt et sekund med en CCD-sensor av høy kvalitet), og et veldig fint mikroskopoppsett er nødvendig for å få den nødvendige forstørrelsen, men dette virkelig er et bilde av atomene som bruker de samme prinsippene som ethvert bilde av en celle tatt med en n optisk mikroskop.

redigering: Jeg bør imidlertid understreke at dette som nesten alle vitenskapelige bilder er et falskfarget bilde med den grønne nyansen som er valgt vilkårlig. For å være mer trofast mot det man faktisk vil se, bør fargeskalaen i stedet være den rødlige fargen på 780 nm-lyset som lyser opp atomene.

Kommentarer

• At ‘ er ganske juks, men det ‘ er et kult eksperiment. På samme måte kan man bruke lys til å avbilde enkeltioner i en ionefelle, som de i bildene her ; her er interionavstanden i størrelsesorden 10 μm (som skyldes balansen mellom det begrensende potensialet og deres gjensidige frastøting), som er omtrent ~ 20 ganger lengre enn bølgelengden for synlig lys og ~ 200.000 lenger enn den typiske interatomiske separasjonen i en krystall.
• @EmilioPisanty Ja dette er et godt poeng, arbeidet med ioner foregår før avbildning av individuelle nøytrale atomer. Om dette er » juks, » Jeg overlater det til leseren ‘ dommen;) (men jeg vil merke at OPEN på ingen måte spesifiserte at han spurte om atomer i et solid).