Este posibil să “ vezi ” atomi?

Acest lucru depinde în totalitate de ceea ce înseamnă prin „vezi”. Permiteți-mi să încep prin a nota:

Conform cunoștințelor mele, atomii sunt mici dincolo de imaginația noastră

Nu Atomii sunt destul de mari în comparație cu anumite alte lucruri cu care ne jucăm, cum ar fi constituenții săi (protoni, electroni) în acceleratorii de particule. Dimensiunea atomilor este de ordinul 0,1 nanometri (desigur, există o variație a dimensiunii , dar nu mă voi deranja deocamdată). nanometrul este de 10 $ ^ {- 9} $ metri. De exemplu, protonii sunt mult mai mici, iar atomii sunt într-un sens atât de mari încât știm de peste o sută de ani acum că nu sunt indivizibile, pentru că am văzut în experimente că nu sunt.

Acum, putem „vedea” atomii? Acest lucru depinde, așa cum am sugerat deja, de ceea ce vrei să spui prin „a vedea” . Dacă vrei să spui „face o poză în lumină vizibilă”, atunci nu poți face asta. În microscopie, există o regulă generală potrivit căreia cele mai mici lucruri pe care le puteți distinge cu un microscop perfect conceput trebuie să aibă o dimensiune de aproximativ jumătate din lungimea de undă a luminii pe care o străluciți. Versiunea mai exactă a acesteia este cunoscută sub numele de Limita de difracție Abbé . Lumina vizibilă are o lungime de undă de aproximativ 400-700 nanometri. Aceasta este, desigur, de aproximativ 4000-7000 de ori mai mare decât diametrul atomului, deci nu există într-adevăr nici un fel în care putem vedea un atom cu un microscop (de difracție) folosind lumina. [Așa cum s-a sugerat în comentarii, există o serie de metode pentru a obține în jurul lui Abbé limita de difracție utilizând, în părți, tehnici foarte diferite de microscopia obișnuită. Se pare, totuși, că o rezoluție a atomilor nu este încă realizată.]

Dar există și alte lucruri pe lângă lumină pe care le putem folosi. Am putea, de exemplu, să folosim electroni în loc de lumină. Mecanica cuantică ne spune că electronii, la fel ca lumina și orice altceva, au o lungimi de undă . Desigur, un astfel de microscop arată puțin diferit de un microscop cu lumină, deoarece noi, oamenii, nu avem un mecanism bun de detectare a electronilor. Aceasta înseamnă că, pentru a face o imagine din electronii refractați și difractați, trebuie să folosim senzori electronici și apoi să recreăm imaginea. Acest tip de microscop pe care tocmai l-am descris este mai mult sau mai puțin un microscop electronic cu transmisie (TEM) și există de mult timp. Astăzi, astfel de tipuri de microscopuri au o rezoluție de aproximativ 0,05 nanometri (TEMS obișnuite sunt uneori citate pentru a avea o rezoluție de aproximativ 1000 de ori mai bună decât rezoluția microscopurilor cu lumină, dar folosind unele tehnici de corecție se pot obține rezoluții de 0,05 nm și poate mai mici ) . Acest lucru este suficient pentru a vedea un atom (vezi aici pentru o imagine timpurie, celălalt răspuns conține imagini mai bune și mai recente), dar probabil că nu suficient pentru a vedea imaginea pe care ați conectat-o pentru a avea o rezoluție puțin mai bună.

[Notă: acum câțiva ani, cu siguranță ați avut nevoie de microscopul pe care îl descriu în secțiunea următoare pentru o astfel de imagine, astăzi s-ar putea să puteți pentru a o realiza și prin intermediul TEM-urilor. Cu alte cuvinte: Astăzi s-ar putea să „vedeți” atomi cu electroni.]

Deci, cum am obținut acest lucru:

Dar există o imagine Wikipedia care arată atomi de siliciu observați la suprafața cristalelor de carbură de siliciu.

Trebuie să folosim un alt tip de microscop electronic, un microscop de scanare cu tunel (STM) .În timp ce TEM funcționează practic la fel ca un microscop cu lumină, STM utilizează concepte diferite. Prin urmare, este și mai îndepărtat de ceea ce în mod obișnuit ați numi „a vedea”. Nu voi descrie cum funcționează acest lucru în detaliu, dar microscopul constă dintr-un vârf mic cu o tensiune aplicată și măsoară tunelarea electronilor în sondă, măsurând astfel distanța până la sondă. Vârful rătăcește apoi peste suprafața materialului dvs. și măsoară distanța materialului până la vârf în multe puncte, construind apoi o imagine topografică a sondei. Astfel, măsoară densitatea electronelor în jurul atomului și, astfel, după cum o înțelegem noi, dimensiunea atomului. Cu aceasta, orice STM rezonabil poate obține o rezoluție de aproximativ 0,1 nm, iar STM-urile bune sunt mult mai bune.

Și acesta este, în sfârșit, modul în care putem vedea atomii.

Comentarii

• @ Martin Rețineți afirmațiile din celălalt răspuns și din comentariile de mai jos. De asemenea, linkul la 0,05nm este rupt.
• @Emilio Pisanty: Vă mulțumim că ați arătat legătura întreruptă. Am găsit alte surse care susțin același lucru și le-am adăugat. Rezoluția pe care o citez este practic aceeași decât cea din t el nou răspuns. Din punct de vedere tehnic, nu am susținut niciodată că nu poți ‘ să vezi atomi cu TEM – am scris că le poți vedea – dar am subliniat că ai câștigat ‘ t obține imaginea de mai sus. Acest lucru rămâne adevărat, deoarece imaginea întrebării este cu siguranță o imagine STM. De asemenea, consider că rezoluția este încă mai bună și ați putea susține că postprocesarea STEM de mai jos nu este, de asemenea, ” văzând „. Dar am încercat să clarific acest lucru.
• Desigur, depinde de definiția dvs. de ” vezi „, dar noi poate obține imagini care modelează destul de aproape de realitate, datorită tehnicilor precum microscopie cu forță atomică

Afirmația lui Martin de mai sus:

Acum, putem „vedea” atomi? Acest lucru depinde, așa cum am sugerat deja, de ceea ce înțelegeți prin „a vedea”. Dacă vrei să spui „faceți o imagine în lumină vizibilă”, atunci nu puteți „face asta.

nu este chiar adevărat. faceți imagini folosind lumină vizibilă care arată atomi unici. Iată un exemplu:

(1)

Motivul pentru care funcționează este că acesta este un sistem în care atomii sunt foarte diluați, mult mai mulți decât într-un solid obișnuit și sunt limitați la site-uri discrete într-o foaie 2D. În plus, lumina la 780 nm este utilizată pentru a lua imaginea, care este rezonantă cu o tranziție electronică în aceste atomii și, prin urmare, este împrăștiat foarte puternic. Atomii sunt foarte slabi (această imagine a avut probabil un timp de expunere de aproximativ o secundă cu un senzor CCD de înaltă calitate) și este necesară o configurare foarte frumoasă a microscopului pentru a obține mărirea necesară, dar acest lucru este într-adevăr o imagine a atomilor folosind aceleași principii ca orice imagine a unei celule făcută cu un n microscop optic.

editați: ar trebui să subliniez, totuși, că, la fel ca aproape toate imaginile științifice, aceasta este o imagine cu culoare falsă, cu nuanța verde aleasă în mod arbitrar. Deci, pentru a fi mai fideli la ceea ce s-ar vedea, scala de culori ar trebui să fie în schimb culoarea roșiatică a luminii de 780 nm care luminează atomii.

Comentarii

• Acest ‘ este un pic înșelător, dar ‘ este un experiment interesant. În aceeași ordine de idei, se poate folosi lumina pentru a imagina ioni singuri într-o capcană de ioni, precum cei din imaginile de aici ; aici distanța inter-ionică este de ordinul a 10 μm (rezultată din echilibrul dintre potențialul de limitare și repulsia reciprocă a acestora), care este de aproximativ ~ 20 de ori mai mare decât lungimea de undă a luminii vizibile și ~ 200.000 mai mare decât separarea interatomică tipică într-un cristal.
• @EmilioPisanty Da, acesta este un punct bun, lucrul cu ioni este anterior imaginii atomilor neutri individuali. În ceea ce privește dacă acesta este ” înșelător, ” voi lăsa acest lucru cititorului ‘ judecata;) (dar aș observa că PO nu a specificat în niciun caz că întreabă despre atomi într-un solid).

Aceasta este o imagine a unui nanocristal Sc2O3 obținut dintr-un microscop electronic cu transmisie de scanare corectată la aberație.

Imaginea din stânga este înregistrată măsurând numai electronii care au fost îndoiți / deviați prin trecerea prin material (în acest caz nu vedem foarte bine atomii de oxigen)

Imaginea de pe dreapta măsoară toți electronii care trec prin material. (În acest caz vedem destul de clar coloane de oxigen și scandiu – care, în acest caz, sunt coloane cu 5 atomi sau cam așa)

În acest caz vedem coloane de atomi, dar STEM tomografice există și pot reproduce Locațiile 3D ale atomilor individuali într-un material

STEM-urile funcționează prin trimiterea de electroni într-o probă și înregistrarea modului în care acești electroni sunt împrăștiați, absorbiți sau transmiși în totalitate analogi cu modul în care funcționează microscopii cu lumină, numai electronii au o lungime de undă MULT lumină.

Nu putem vedea atomii folosind lumina, deoarece atomii sunt mult mai mici decât lungimea de undă a luminii.

Dar electronii au o lungime de undă mult mai mică, permițându-ne să sondăm caracteristici mult mai mici decât lumina. ar putea spera să permită

Această imagine are o rezoluție de aproximativ 70 picometri (0,07 nm), iar atomii au „diametre” de aproximativ 0,1 nm … 10 ^ (- 10) metru. Rezoluție mai mult decât suficientă pentru a vedea atomii

Contrar răspunsului anterior putem, de fapt, să realizăm foarte bine atomii de imagine folosind STEM și TEM

În plus, STEM-urile moderne pot identifica chimic atomii pe baza modului în care fasciculul de electroni deviază prin eșantion.

Mai mulți electroni în atomi => deviație mai mare.

Deci, nu numai că putem vedea atomi, dar putem studia și chimia și proprietățile lor fizice în timp ce le privim!

Mai jos este o imagine a unui nanocristal Nd3 +: Sc2O3. Punctele mai luminoase corespund atomilor Nd (datorită numărului lor mult mai mare de electroni)

David B. Williams și încă 1 microscopie electronică cu transmisie: manual pentru știința materialelor (set de 4 volți)

Este o sursă foarte completă și completă pentru toate micriscooy-urile electronice

Imagini înregistrate cu un JOEL ARM200F și un spațiu fourier filtrat și analizat cu gatan

Comentarii

• Vă rugăm să furnizați surse pentru toate imaginile și revendicările dvs.
• Ca și în cazul în care ați efectuat experimentul dvs.? În acest caz, ‘ veți înțelege că trebuie să furnizați în continuare o referință bună la lucrarea care descrie metodele. De asemenea, vă rugăm să utilizați butonul de editare pentru a include referințele în postarea dvs., în loc să le postați doar în comentarii.
• Nu votul meu negativ, dar (1) celălalt răspuns nu face nicio astfel de revendicare, (2) scrierea tehnică trebuie să se îmbunătățească și (3) trebuie să includeți referințe adecvate, în special atunci când revendicările dvs. sunt contrare conținutului anterior. (Nu spun că ‘ greșești, îmi spun ‘ că ai nevoie de mai mult decât să spun așa.) Scuze pentru restricție de legare – este o apărare a sistemului împotriva spamului. Dacă marcați referințele dvs. în postare și includeți linkurile în comentarii, pot să le editez în linkuri, dar într-adevăr nu aveți nevoie de ‘ URL-uri atunci când referințele jurnalelor tradiționale vor face doar bine.
• Citiți celălalt răspuns în detaliu – acel paragraf vorbește despre microscoapele TEM în mod specific. Trebuie încă să produceți dovezi care să contrazică în mod specific afirmațiile lui Martin ‘. În ceea ce privește scrierea, în special pe fire de interes general ca acesta, trebuie să scrieți pentru un public general, pe care textul actual nu îl abordează; aceasta poate fi o sursă de voturi negative. Textul actual este fragmentat, greu de citit și, în general, mult mai puțin accesibil decât răspunsul anterior.
• Nici ‘ nu intenționez să vă dezbat este probabil ultimul meu comentariu aici – și eu ‘ nu sunt cu siguranță cel cu care ar trebui să lupți. Probabil că aveți un răspuns minunat care se ascunde acolo, pe care am ‘ am încercat să vă ajut să scoateți în evidență, dar în cele din urmă (în opinia mea) ‘ depinde de dvs. pentru a vă îmbunătăți scrierea tehnică într-o etapă în care ‘ nu înstrăinați publicul general care ‘ vă citește post. Bună ziua!