Är det möjligt att “ se ” atomer?

Detta beror helt på vad du menar med ”se”. Låt mig börja med att notera:

Enligt min kunskap är atomer små utöver vår fantasi

Nej Atomer är ganska stora jämfört med vissa andra saker vi spelar med, som dess beståndsdelar (protoner, elektroner) i partikelacceleratorer. Atomernas storlek är i storleksordningen 0,1 nanometer (det finns naturligtvis en variation i storlek , men jag bryr mig inte för tillfället). nanometer är $ 10 ^ {- 9} $ meter. Protoner är till exempel mycket mindre och atomer är på så sätt så stora att vi vet i över hundra år nu att de inte är odelbara, för vi har sett i experiment att de inte är det.

Nu kan vi ”se” atomer? Detta beror, som jag redan antydde, vad du menar med ”se” Om du menar ”skapa en bild i synligt ljus” kan du inte göra det. I mikroskopi finns det en tumregel att de minsta sakerna du kan urskilja med ett perfekt konstruerat mikroskop måste ha en storlek ungefär hälften av våglängden för det ljus du lyser på. Den mer exakta versionen av detta är känd som Abbé-avböjningsgräns . Synligt ljus har en våglängd på cirka 400-700 nanometer. Detta är naturligtvis cirka 4000-7000 gånger så mycket som atomens diameter, så det finns verkligen inget sätt att se en atom med ett (diffraktions) mikroskop med hjälp av ljus. [Som föreslås i kommentarerna finns det ett antal metoder för att ta sig runt Abbé ”s diffraktionsgräns genom att använda delar av mycket olika tekniker än vanlig mikroskopi. Det verkar dock som att en upplösning av atomer inte uppnås ännu.]

Men det finns andra saker förutom ljus vi kan använda. Vi kan till exempel använda elektroner istället för ljus. Kvantmekanik berättar att elektroner, precis som ljus och allt annat, har en våglängder . Naturligtvis ser ett sådant mikroskop lite annorlunda ut än ett ljusmikroskop, för vi människor har ingen bra detektionsmekanism för elektroner. Detta innebär att vi måste använda elektroniska sensorer och sedan återskapa bilden för att skapa en bild från de bryta och avbrutna elektronerna. Denna typ av mikroskop som jag just har beskrivit är mer eller mindre ett överföringselektronmikroskop (TEM) och de har funnits länge. Idag har sådana typer av mikroskop en upplösning på cirka 0,05 nanometer (vanliga TEMS citeras ibland för att ha en upplösning cirka 1000 gånger bättre än upplösningen för ljusmikroskop, men med hjälp av vissa korrigeringstekniker kan man uppnå upplösningarna på 0,05 nm och kanske lägre ) . Det räcker med att se en atom (se här för en tidig bild, det andra svaret innehåller bättre och nyare bilder), men det är nog inte tillräckligt för att se bilden du länkade till har en något bättre upplösning.

[Obs: för några år sedan behövde du definitivt det mikroskop som jag beskriver i nästa avsnitt för en sådan bild, idag kanske du skulle kunna för att uppnå det via TEM också. Med andra ord: Idag kan du kanske ”se” atomer med elektroner.]

Så hur fick vi det här:

Men det finns en wikipedia-bild som visar kiselatomer observerade vid ytan av kiselkarbidkristaller.

Vi måste använda en annan typ av elektroniskt mikroskop, ett skanningstunnelmikroskop (STM) .Medan TEM fungerar i princip samma som ett ljusmikroskop, använder STM olika koncept. Därför är det ännu mer borttaget från vad du vanligtvis skulle kalla ”att se”. Jag kommer inte att beskriva hur detta fungerar i detalj, men mikroskopet består av en liten spets med en spänning anbringad och det mäter tunnlarna av elektroner in i sonden och därmed mäter avståndet till sonden. Toppen vandrar sedan över yta på ditt material och mäter avståndet från materialet till spetsen vid många punkter, och konstruerar sedan en topografisk bild av sonden, så den mäter elektrontätheten runt atomen och därigenom, som vi förstår det, atomens storlek. Med detta kan varje rimlig STM få en upplösning på cirka 0,1 nm och bra STM är mycket bättre.

Och så kan vi äntligen se atomer.

Kommentarer

• @ Martin Notera påståendena i det andra svaret och i kommentarerna nedanför. Dessutom är länken vid 0,05 nm bruten.
• @Emilio Pisanty: Tack för att du påpekade den trasiga länken. Jag hittade andra källor som hävdade samma och lade till dem. Den upplösning jag citerar är i princip densamma än den i t han nya svar. Tekniskt sett har jag aldrig hävdat att du inte kan ’ inte se atomer med TEM – jag skrev att du kan se dem – men jag påpekade att du vann ’ t få bilden ovan. Detta förblir sant, för bilden av frågan är definitivt en STM-bild. Jag känner också att upplösningen fortfarande är bättre och du kan argumentera för att efterbehandlingen av STEM nedan inte heller ” ser ”. Men jag försökte klargöra detta.
• Det beror naturligtvis på din definition av ” se ”, men vi kan få bilder som modellerar ganska nära verkligheten tack vare tekniker som atomkraftmikroskopi

Uttalandet från Martin ovan:

Kan vi nu ”se” atomer? Detta beror, som jag redan antydde, vad du menar med ”se”. Om du menar ”skapa en bild i synligt ljus” kan du inte göra det.

är faktiskt inte riktigt sant. En kan ta bilder med synligt ljus som visar enskilda atomer. Här är ett exempel:

(1)

Anledningen till att detta fungerar är att detta är en system där atomerna är mycket utspädda, mycket mer än i ett vanligt fast ämne och är begränsade till diskreta platser i ett 2D-ark. Dessutom används ljus vid 780 nm för att ta bilden, som är resonant med en elektronisk övergång i dessa och är därför utspridda mycket starkt. Atomerna är mycket svaga (den här bilden hade förmodligen en exponeringstid på cirka en sekund med en högkvalitativ CCD-sensor), och en mycket fin mikroskopinställning behövs för att få nödvändig förstoring, men detta verkligen är en bild av atomerna som använder samma principer som vilken bild som helst av en cell taget med en n optiskt mikroskop.

redigera: Jag bör dock betona att det som nästan alla vetenskapliga bilder är en falskfärgad bild med den gröna nyansen som valts godtyckligt. För att vara mer trogen mot vad man faktiskt skulle se, bör färgskalan istället vara den rödaktiga färgen på det 780 nm ljus som lyser upp atomerna.

Kommentarer

• Att ’ är ganska otrogen men det ’ är ett coolt experiment. På samma sätt kan man använda ljus för att avbilda enstaka joner i en jonfälla, som de i bilderna här ; här är interjonavståndet i storleksordningen 10 μm (som härrör från jämvikten mellan den begränsande potentialen och deras ömsesidiga avstötning), vilket är ungefär ~ 20 gånger längre än våglängden för synligt ljus och ~ 200.000 längre än den typiska interatomiska separationen i en kristall.
• @EmilioPisanty Ja det här är en bra punkt, arbetet med joner föregår avbildning av individuella neutrala atomer. Om detta är ” fusk, ” Jag lämnar det till läsaren ’ s dom;) (men jag noterar att OP inte på något sätt angav att han frågade om atomer i ett fast ämne).