Czy można “ zobaczyć atomy ”?

To całkowicie zależy od tego, co rozumieć przez „widzieć”. Zacznę od odnotowania:

Zgodnie z moją wiedzą atomy są małe poza naszymi wyobrażeniami

Nie. Atomy są dość duże w porównaniu z niektórymi innymi rzeczami, z którymi się bawimy, takimi jak jego składniki (protony, elektrony) w akceleratorach cząstek. Rozmiar atomów jest rzędu 0,1 nanometra (oczywiście istnieje różnica w rozmiarze , ale na razie nie będę się tym przejmować). nanometr to 10 ^ {- 9} $ metrów. Na przykład protony są o wiele mniejsze, a atomy są w pewnym sensie tak duże, że znamy od ponad stu lat że nie są one niepodzielne, ponieważ w eksperymentach widzieliśmy, że tak nie jest.

Czy możemy teraz „zobaczyć” atomy? To zależy, jak już wspomniałem, co masz na myśli przez „widzieć” Jeśli masz na myśli „zrób zdjęcie w świetle widzialnym”, nie możesz tego zrobić. W mikroskopii obowiązuje praktyczna zasada mówiąca, że najmniejsze rzeczy, które można rozróżnić za pomocą doskonale zaprojektowanego mikroskopu, muszą mieć rozmiar mniej więcej połowy długości fali światła, które do niego oświetlasz. Dokładniejsza wersja tego jest znana jako Granica dyfrakcji Abbé’a . Światło widzialne ma długość fali około 400–700 nanometrów. Jest to oczywiście około 4000–7000 razy większa od średnicy atomu, więc rzeczywiście nie ma sposobu, abyśmy mogli zobaczyć atom za pomocą mikroskopu (dyfrakcyjnego) przy użyciu światła. [Jak sugerowano w komentarzach, istnieje wiele metod obejścia Abbé „s granica dyfrakcji przy użyciu częściowo bardzo różnych technik niż zwykła mikroskopia. Wydaje się jednak, że rozdzielczość atomów nie została jeszcze osiągnięta.]

Ale są jeszcze inne rzeczy oprócz światła, których możemy użyć. Moglibyśmy na przykład użyć elektronów zamiast światła. Mechanika kwantowa mówi nam, że elektrony, podobnie jak światło i wszystko inne, mają długości fal . Oczywiście taki mikroskop wygląda trochę inaczej niż mikroskop świetlny, ponieważ my, ludzie, nie mamy dobrego mechanizmu wykrywania elektronów. Oznacza to, że aby wykonać obraz z załamanych i ugiętych elektronów, musimy użyć czujników elektronicznych, a następnie odtworzyć obraz. Ten typ mikroskopu, który właśnie opisałem, jest mniej więcej elektronowym mikroskopem transmisyjnym (TEM) i istnieje od dawna. Obecnie tego typu mikroskopy mają rozdzielczość około 0,05 nanometra (zwykle podaje się, że zwykle TEMS mają rozdzielczość około 1000 razy lepszą niż rozdzielczość mikroskopów świetlnych, ale przy użyciu niektórych technik korekcji można osiągnąć rozdzielczości 0,05 nm i może poniżej ) . To wystarczy, aby zobaczyć atom (zobacz tutaj , aby zobaczyć wczesne zdjęcie, druga odpowiedź zawiera lepsze i nowsze zdjęcia), ale prawdopodobnie nie wystarczy, aby zobaczyć zdjęcie, które połączyłeś, aby uzyskać nieco lepszą rozdzielczość.

[Uwaga: kilka lat temu zdecydowanie potrzebowałeś mikroskopu, który opisuję w następnej sekcji, aby zrobić takie zdjęcie, dziś być może będziesz w stanie aby to osiągnąć również za pomocą TEM. Innymi słowy: dzisiaj możesz „zobaczyć” atomy z elektronami.]

Więc jak to osiągnęliśmy:

Ale jest obraz wikipedii, który pokazuje atomy krzemu obserwowane na powierzchni kryształów węglika krzemu.

Musimy użyć inny typ mikroskopu elektronicznego, tunelowy mikroskop skaningowy (STM) .Chociaż TEM działa w zasadzie tak samo jak mikroskop świetlny, STM wykorzystuje różne koncepcje. Dlatego jest jeszcze bardziej oddalone od tego, co zwykle nazywacie „widzeniem”. Nie zamierzam szczegółowo opisywać, jak to działa, ale mikroskop składa się z małej końcówki z przyłożonym napięciem i mierzy tunelowanie elektronów w sondzie, mierząc w ten sposób odległość do sondy. Pik następnie wędruje po powierzchni twojego materiału i mierzy odległość materiału od końcówki w wielu punktach, a następnie konstruuje topograficzny obraz sondy. Mierzy więc gęstość elektronów wokół atomu, a tym samym, jak rozumiemy, rozmiar atomu. Dzięki temu każdy rozsądny STM może uzyskać rozdzielczość około 0,1 nm, a dobre STM są znacznie lepsze.

I w końcu tak możemy zobaczyć atomy.

Komentarze

• @ Martin Zwróć uwagę na zastrzeżenia w drugiej odpowiedzi i w komentarzach pod nią. Ponadto łącze przy 0,05 nm jest uszkodzone.
• @Emilio Pisanty: Dziękuję za wskazanie zepsutego linku. Znalazłem inne źródła twierdzące o tym samym i dodałem je. Cytuję rozdzielczość, którą cytuję, jest zasadniczo taka sama jak ta w t nowa odpowiedź. Technicznie rzecz biorąc, nigdy nie twierdziłem, że ' nie widzisz atomów z TEM – pisałem, że możesz je zobaczyć – ale wskazałem, że wygrałeś ' t zobacz powyższy obrazek. Pozostaje to prawdą, ponieważ obraz pytania jest zdecydowanie obrazem STM. Wydaje mi się również, że rozdzielczość jest nadal lepsza i można argumentować, że przetwarzanie końcowe STEM poniżej również nie jest ” widząc „. Próbowałem to jednak wyjaśnić.
• Oczywiście zależy to od Twojej definicji ” patrz „, ale my mogą uzyskać zdjęcia, które modelują dość blisko rzeczywistości, dzięki technikom takim jak mikroskopia sił atomowych

Wypowiedź Martina powyżej:

Czy możemy teraz „zobaczyć” atomy? Zależy to, jak już wspomniałem, co masz na myśli mówiąc „widzieć”. Jeśli masz na myśli „zrób zdjęcie w świetle widzialnym”, nie możesz tego zrobić.

w rzeczywistości nie jest do końca prawdą. rób zdjęcia w świetle widzialnym, które pokazują pojedyncze atomy. Oto przykład:

(1)

Powodem tego jest to, że jest to system, w którym atomy są bardzo rozcieńczone, znacznie bardziej rozrzedzone niż w zwykłym ciele stałym i są ograniczone do dyskretnych miejsc na arkuszu 2D. Ponadto do wykonania obrazu wykorzystuje się światło o długości fali 780 nm, które jest rezonansowe z przejściem elektronicznym w tych atomów i dlatego jest bardzo silnie rozproszony. Atomy są bardzo słabe (ten obraz prawdopodobnie miał czas naświetlania około sekundy z wysokiej jakości czujnikiem CCD), a do uzyskania niezbędnego powiększenia potrzebny jest bardzo ładny mikroskop, ale to tak naprawdę jest zdjęciem atomów wykorzystującym te same zasady, co każde zdjęcie komórki zrobione z n mikroskop optyczny.

edytuj: Powinienem jednak podkreślić, że podobnie jak prawie wszystkie obrazy naukowe jest to obraz w sztucznych kolorach z arbitralnie wybranym odcieniem zieleni. Aby być bardziej wiernym temu, co faktycznie można zobaczyć, skala kolorów powinna być zamiast tego czerwonawym kolorem światła 780 nm, które oświetla atomy.

Komentarze

• To ' to trochę oszustwo, ale ' to fajny eksperyment. W tym samym duchu można użyć światła do zobrazowania pojedynczych jonów w pułapce jonowej, takich jak te na obrazach tutaj ; tutaj odległość między jonami jest rzędu 10 μm (wynikająca z równowagi pomiędzy potencjałem ograniczającym a ich wzajemnym odpychaniem), czyli około ~ 20 razy dłuższa niż długość fali światła widzialnego i ~ 200 000 dłuższa niż typowa separacja międzyatomowa w krysztale.
• @EmilioPisanty Tak, to dobra uwaga, praca z jonami poprzedza obrazowanie pojedynczych neutralnych atomów. Co do tego, czy jest to ” oszustwo, ” zostawiam to czytelnikowi ' oceny;) (ale chciałbym zauważyć, że OP w żaden sposób nie sprecyzował, że pyta o atomy w bryle).

To jest obraz nanokryształu Sc2O3 uzyskany ze skaningowego, transmisyjnego mikroskopu elektronowego z korekcją aberacji.

Lewy obraz jest rejestrowany poprzez pomiar tylko elektronów, które zostały zgięte / odchylone podczas przechodzenia przez materiał (w tym przypadku nie widzimy dobrze atomów tlenu)

Obraz na prawo mierzy wszystkie elektrony przechodzące przez materiał. (W tym przypadku widzimy dość wyraźnie kolumny tlenu i skandu – które w tym przypadku są kolumnami po 5 atomów)

W tym przypadku widzimy kolumny atomów, ale istnieją tomograficzne STEM i mogą one odtworzyć Lokalizacje 3D pojedynczych atomów w materiale

STEM działają poprzez wysyłanie elektronów do próbki i rejestrowanie, jak te elektrony są rozpraszane, absorbowane lub transmitowane, całkowicie analogicznie do tego, jak działają mikroskopy świetlne, tylko elektrony mają DUŻO mniejszą długość fali niż światło.

Nie możemy zobaczyć atomów za pomocą światła, ponieważ atomy są znacznie mniejsze niż długość fali światła.

Jednak elektrony mają znacznie mniejszą długość fali, co pozwala nam badać znacznie mniejsze cechy niż światło można mieć nadzieję na to

Ten obraz ma rozdzielczość około 70 pikometrów (0,07 nm), a atomy mają „średnice” w przybliżeniu 0,1 nm… 10 ^ (- 10) metra. Więcej niż wystarczająca rozdzielczość, aby zobaczyć atomy.

W przeciwieństwie do poprzedniej odpowiedzi, możemy bardzo dobrze zobrazować atomy za pomocą STEM i TEM

Ponadto nowoczesne STEM mogą chemicznie identyfikować atomy na podstawie tego, jak wiązka elektronów odchyla się przez próbkę.

Więcej elektronów w atomach => większe odchylenie.

Zatem nie tylko możemy zobaczyć atomy, ale możemy również badać ich właściwości chemiczne i fizyczne, gdy na nie patrzymy!

Poniżej znajduje się obraz nanokryształu Nd3 +: Sc2O3. Jaśniejsze kropki odpowiadają atomom Nd (ze względu na znacznie większą liczbę elektronów)

David B. Williams i jeszcze 1 Transmisyjna Mikroskopia Elektronowa: Podręcznik Materiałoznawstwa (zestaw 4 Vol)

Jest bardzo dokładnym i kompletnym źródłem informacji na temat wszystkich elektronowych mikroukładów

Obrazy zarejestrowane za pomocą JOEL ARM200F i Fourier Space przefiltrowane i przeanalizowane przez gatan

Komentarze

• Podaj źródła wszystkich swoich obrazów i twierdzeń.
• Czy samodzielnie przeprowadziłeś eksperyment? W takim przypadku ' zrozumiesz, że nadal potrzebujesz dobrego odniesienia do artykułu opisującego metody. Ponadto użyj przycisku edycji, aby uwzględnić odniesienia w swoim poście, zamiast publikować je tylko w komentarzach.
• Nie moja opinia przeciwna, ale (1) druga odpowiedź nie zawiera takiego twierdzenia, (2) Twoja pisanie techniczne musi zostać ulepszone i (3) musisz dołączyć odpowiednie odniesienia, szczególnie gdy twoje roszczenia są sprzeczne z poprzednią treścią. (Nie mówiąc, że ' mylisz się, ' mówię, że potrzebujesz czegoś więcej niż tylko ja mówię). Przepraszamy za ograniczenie linkowania – jest to systemowa ochrona przed spamem. Jeśli zaznaczysz swoje referencje w poście i umieścisz linki w komentarzach, mogę edytować w linkach dla Ciebie, ale tak naprawdę nie ' nie potrzebujesz adresów URL, gdy tradycyjne odniesienia do czasopism wystarczą dobrze.
• Przeczytaj szczegółowo drugą odpowiedź – ten akapit mówi konkretnie o mikroskopach TEM. Musisz jeszcze przedstawić dowody, które w szczególności zaprzeczają twierdzeniom Martina '. W przypadku pisania, szczególnie w wątkach o charakterze ogólnym, takich jak ten, musisz pisać dla ogółu odbiorców, do czego nie odnosi się obecny tekst; może to być jednym ze źródeł głosów przeciw. Obecny tekst jest fragmentaryczny, trudny do odczytania i ogólnie znacznie mniej przystępny niż poprzednia odpowiedź.
• Nie ' nie zamierzam też z tobą debatować – to to prawdopodobnie mój ostatni komentarz tutaj – a ja ' zdecydowanie nie jestem tym, z którym powinieneś walczyć. Prawdopodobnie kryje się w niej świetna odpowiedź, którą ' próbowałem Ci pomóc, ale ostatecznie (moim zdaniem) ją ' zależy od Ciebie, aby ulepszyć swoje techniczne pisanie do poziomu, w którym ' nie zrażasz ogólnej publiczności, która ' czytasz Poczta. Dzień dobry!