Is het mogelijk om “ ” atomen te zien?

Dit hangt volledig af van wat u bedoel met “zien”. Laat ik beginnen met op te merken:

Zoals ik weet, zijn atomen onvoorstelbaar klein.

Nee. Atomen zijn vrij groot in vergelijking met bepaalde andere dingen waarmee we spelen, zoals de bestanddelen (protonen, elektronen) in deeltjesversnellers. De grootte van atomen is in de orde van 0,1 nanometer (er is natuurlijk een variatie in grootte , maar ik ga er voorlopig niet mee bezig zijn). nanometer is $ 10 ^ {- 9} $ meter. Protonen zijn bijvoorbeeld veel kleiner en atomen zijn in zekere zin zo groot dat we nu al meer dan honderd jaar kennen dat ze niet ondeelbaar zijn, omdat we in experimenten hebben gezien dat ze dat niet zijn.

Kunnen we nu atomen “zien”? Dit hangt ervan af, zoals ik al zei, wat je bedoelt met “zien” Als je bedoelt “maak een foto in zichtbaar licht”, dan kun je dat niet doen. Bij microscopie is er een vuistregel dat de kleinste dingen die je kunt onderscheiden met een perfect ontworpen microscoop een grootte moeten hebben van ongeveer de helft van de golflengte van het licht dat je erop laat schijnen. De meer exacte versie hiervan staat bekend als de Abbé diffractielimiet . Zichtbaar licht heeft een golflengte van ongeveer 400-700 nanometer. Dit is natuurlijk ongeveer 4000-7000 keer zo groot als de diameter van het atoom, dus er is inderdaad geen manier waarop we een atoom kunnen zien met een (diffractie) microscoop met behulp van licht. [Zoals in de commentaren wordt gesuggereerd, zijn er een aantal methoden om rond Abbé “s te komen diffractielimiet met, in delen, heel andere technieken dan de gebruikelijke microscopie. Het lijkt er echter op dat een resolutie van atomen nog niet is bereikt.]

Maar er zijn naast licht nog andere dingen die we kunnen gebruiken. We zouden bijvoorbeeld elektronen kunnen gebruiken in plaats van licht. De kwantummechanica vertelt ons dat elektronen, net als licht en al het andere, een golflengten hebben. Zon microscoop ziet er natuurlijk wat anders uit dan een lichtmicroscoop, want wij mensen hebben geen goed detectiemechanisme voor elektronen. Dit betekent dat we, om een afbeelding te maken van de gebroken en afgebogen elektronen, elektronische sensoren moeten gebruiken en vervolgens de afbeelding opnieuw moeten maken. Dit type microscoop dat ik zojuist heb beschreven, is min of meer een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) en ze bestaan al heel lang. Tegenwoordig hebben dergelijke soorten microscopen een resolutie van ongeveer 0,05 nanometer (er wordt soms geciteerd dat TEMS een resolutie heeft van ongeveer 1000 keer beter dan de resolutie van lichtmicroscopen, maar met behulp van enkele correctietechnieken kan men de resoluties van 0,05 nm en misschien lager bereiken) . Dit is net genoeg om een atoom te zien (zie hier voor een vroege afbeelding, het andere antwoord bevat betere en recentere afbeeldingen), maar waarschijnlijk niet genoeg om de foto te zien die je hebt gelinkt om een iets betere resolutie te hebben.

[Opmerking: een paar jaar geleden had je zeker de microscoop nodig die ik in de volgende sectie beschrijf voor zon foto, vandaag kun je misschien om het ook via TEMs te bereiken. Met andere woorden: vandaag kun je atomen met elektronen “zien”.]

Dus hoe hebben we dit gekregen:

Maar er is een wikipedia-afbeelding die siliciumatomen laat zien die worden waargenomen aan het oppervlak van siliciumcarbidekristallen.

We moeten gebruiken een ander type elektronische microscoop, een scanning tunneling microscoop (STM) .Hoewel de TEM in principe hetzelfde werkt als een lichtmicroscoop, gebruikt de STM verschillende concepten. Daarom is het zelfs nog meer verwijderd van wat u gewoonlijk “zien” zou noemen. Ik ga niet in detail beschrijven hoe dit werkt, maar de microscoop bestaat uit een kleine punt waarop spanning staat en hij meet het tunnelen van elektronen in de sonde, waardoor de afstand tot de sonde wordt gemeten. De piek dwaalt dan over de oppervlak van je materiaal en meet de afstand van het materiaal tot de punt op veel punten, en construeert vervolgens een topografisch beeld van de sonde. Dus het meet de elektronendichtheid rond het atoom en daardoor, zoals we het begrijpen, de grootte van het atoom. Hiermee kan elke redelijke STM een resolutie krijgen van ongeveer 0,1 nm en zijn goede STMs veel beter.

En dit is, eindelijk, hoe we atomen kunnen zien.

Opmerkingen

• @ Martin Let op de beweringen in het andere antwoord en in de opmerkingen eronder. Ook is de link op 0,05 nm verbroken.
• @Emilio Pisanty: Bedankt dat je hebt gewezen op de verbroken link. Ik heb andere bronnen gevonden die hetzelfde beweren en heb ze toegevoegd. De resolutie die ik citeer is in wezen dezelfde als die in t hij nieuwe antwoord. Technisch gezien heb ik nooit beweerd dat je ‘ geen atomen met TEMs kunt zien – ik heb geschreven dat je ze kunt zien – maar ik heb erop gewezen dat je ‘ t krijg de afbeelding hierboven. Dit blijft waar, want de afbeelding van de vraag is beslist een STM-afbeelding. Ik heb ook het gevoel dat de resolutie nog beter is en je zou kunnen stellen dat de nabewerking van de onderstaande STEM ook niet ” is als je ” ziet. Maar ik heb geprobeerd dit te verduidelijken.
• Het hangt natuurlijk af van uw definitie van ” zie “, maar we kan afbeeldingen krijgen die vrij dicht bij de werkelijkheid lijken, dankzij technieken als atomaire krachtmicroscopie

De verklaring van Martin hierboven:

Kunnen we nu atomen “zien”? Dit hangt ervan af, zoals ik al zei, wat je bedoelt met “zien”. Als je bedoelt “maak een foto in zichtbaar licht”, dan kun je dat niet doen.

is eigenlijk niet helemaal waar. Een kan maak fotos met zichtbaar licht dat enkele atomen laat zien. Hier is een voorbeeld:

(1)

De reden dat dit werkt, is dat dit een systeem waarin de atomen erg verdund zijn, veel meer dan in een gewone vaste stof, en zijn beperkt tot discrete locaties in een 2D-plaat. Verder wordt licht op 780 nm gebruikt om de afbeelding te maken, die resoneert met een elektronische overgang in deze atomen en is daarom erg sterk verstrooid. De atomen zijn erg zwak (dit beeld had waarschijnlijk een belichtingstijd van ongeveer een seconde met een hoogwaardige CCD-sensor), en er is een erg mooie microscoopopstelling nodig om de nodige vergroting te krijgen, maar dit is echt een afbeelding van de atomen volgens dezelfde principes als elke afbeelding van een cel genomen met een n optische microscoop.

bewerken: ik moet echter benadrukken dat dit, zoals bijna alle wetenschappelijke afbeeldingen, een afbeelding met valse kleuren is waarbij de groene tint willekeurig is gekozen. Dus om trouwer te zijn aan wat men werkelijk zou zien, zou de kleurenschaal in plaats daarvan de roodachtige kleur moeten zijn van het 780 nm licht dat de atomen verlicht.

Opmerkingen

• Dat ‘ is nogal vals spelen, maar het ‘ is een gaaf experiment. Op dezelfde manier kan men licht gebruiken om enkele ionen in een ionenval af te beelden, zoals die in de afbeeldingen hier ; hier is de interionafstand in de orde van 10 μm (als gevolg van het evenwicht tussen het beperkende potentieel en hun wederzijdse afstoting), die ongeveer ~ 20 keer langer is dan de golflengte van zichtbaar licht en ~ 200.000 langer dan de typische interatomaire scheiding in een kristal.
• @EmilioPisanty Ja, dit is een goed punt, het werken met ionen dateert van vóór het afbeelden van individuele neutrale atomen. Of dit ” bedrog is, ” ik laat dat aan de lezer over ‘ s oordeel;) (maar ik merk op dat het OP op geen enkele manier specificeerde dat hij naar atomen in een vaste stof vroeg).

Dit is een afbeelding van een Sc2O3-nanokristal verkregen uit een abberatie-gecorrigeerde scanning-transmissie-elektronenmicroscoop.

Het linkerbeeld wordt opgenomen door alleen elektronen te meten die zijn gebogen / afgebogen door het materiaal te passeren (in dit geval zien we de zuurstofatomen niet zo goed)

Het beeld op rechts meet alle elektronen die door het materiaal gaan. (In dit geval zien we vrij duidelijk zuurstof- en scandiumkolommen – in dit geval kolommen van ongeveer 5 atomen)

In dit geval zien we kolommen met atomen, maar tomografische STEMs bestaan en kunnen de 3D-locaties van individuele atomen in een materiaal

STEMs werken door elektronen in een monster te sturen en vast te leggen hoe die elektronen worden verstrooid, geabsorbeerd of doorgelaten, geheel analoog aan hoe lichtmicroscopen werken, alleen elektronen hebben een VEEL kleinere golflengte dan licht.

We kunnen atomen niet zien met behulp van licht, omdat atomen veel kleiner zijn dan de golflengte van licht.

Maar elektronen hebben een veel kleinere golflengte waardoor we veel kleinere kenmerken kunnen onderzoeken dan licht zou kunnen hopen

Deze afbeelding heeft een resolutie van ongeveer 70 picometer (0,07 nm) en atomen hebben “diameters” van ongeveer 0,1 nm … 10 ^ (- 10) meter. Meer dan voldoende resolutie om atomen te zien

In tegenstelling tot het vorige antwoord kunnen we atomen in feite heel goed in beeld brengen met STEMs en TEMs

Verder kunnen moderne STEMs atomen chemisch identificeren op basis van hoe de elektronenbundel buigt door het monster.

Meer elektronen in de atomen => grotere afbuiging.

We kunnen dus niet alleen atomen zien, we kunnen ook hun chemie en fysische eigenschappen bestuderen terwijl we ernaar kijken!

Hieronder is een afbeelding van een Nd3 +: Sc2O3 nanokristal. De helderdere punten komen overeen met de Nd-atomen (vanwege hun veel grotere aantal elektronen)

David B. Williams en nog 1 transmissie-elektronenmicroscopie: een leerboek voor materiaalkunde (set van 4 vol)

Is een zeer grondige en complete bron over alles wat met electron micriscooy te maken heeft

Beelden opgenomen met een JOEL ARM200F en fourier space gefilterd en geanalyseerd met gatan

Opmerkingen

• Geef bronnen voor al je afbeeldingen en claims.
• Net als in, heb je het experiment zelf uitgevoerd? In dat geval zult u ‘ begrijpen dat u nog steeds een goede referentie moet geven naar het artikel waarin de methoden worden beschreven. Gebruik ook de knop Bewerken om de verwijzingen in uw bericht op te nemen in plaats van ze alleen in de opmerkingen te plaatsen.
• Niet mijn stem, maar (1) het andere antwoord beweert niet, (2) uw technisch schrijven moet worden verbeterd, en (3) u moet de juiste referenties opnemen, vooral wanneer uw claims in strijd zijn met eerdere inhoud. (Ik zeg niet dat je ‘ ongelijk hebt, ik ‘ zeg dat je meer nodig hebt dan een ik-zeg-het.) Excuses voor de koppelingsbeperking – het is een systeembescherming tegen spam. Als je je referenties in het bericht markeert en de links in de reacties opneemt, kan ik in de links voor je bewerken, maar in werkelijkheid heb je ‘ geen URLs nodig als traditionele tijdschriftreferenties het juist zullen doen prima.
• Lees het andere antwoord in detail – die paragraaf gaat specifiek over TEM-microscopen. U moet nog bewijs leveren dat specifiek in tegenspraak is met de beweringen van Martin ‘. Over het schrijven, in het bijzonder op discussies van algemeen belang zoals deze, moet je schrijven voor een algemeen publiek, waar de huidige tekst niet op ingaat; dat kan een bron van downvotes zijn. De huidige tekst is gefragmenteerd, moeilijk te lezen en over het algemeen veel minder toegankelijk dan het vorige antwoord.
• Ik ben ook niet van plan met ‘ over u te debatteren – dit is waarschijnlijk mijn laatste opmerking hier – en ik ‘ ben zeker niet degene tegen wie je zou moeten vechten. Je hebt waarschijnlijk een geweldig antwoord op de loer dat ik ‘ heb geprobeerd je te helpen naar buiten te brengen, maar uiteindelijk (naar mijn mening) het ‘ is aan jou om je technische schrijven te verbeteren tot een stadium waarin je ‘ het algemene publiek dat ‘ je leest, niet vervreemdt post. Goedendag!