Чи можна побачити атоми окремо?

З шкільного віку ми знаємо, що всі навколишні нас тіла складаються з атомів. Але нам не показували ніяких фотографій, ми не бачили їх в мікроскоп, а просто повірили. Так чи можна побачити атоми окремо і переконатися в їх існуванні?
Давайте розбиратися. Людське око може побачити об’єкти розміром не менше 0,05 мм. Але атоми набагато менше! (Від 64 × 10-12 м до 450 × 10-12 м) Вони настільки маленькі, що якщо збільшити їх до розмірів полуниці, полуниця буде розміром з Землю. Тому побачити їх можна хіба що в мікроскоп. Але не всі мікроскопи підійдуть для підглядання за атомами.

оптичний
Найпростіший і старий тип мікроскопів. Для того, щоб побачити який-небудь об’єкт (причому не тільки в мікроскопі), його необхідно висвітлити. В оптичному мікроскопі для цього використовується світло, який сприймає людське око. Це хвилі видимого діапазону, довжина хвилі яких коливається від 700 до 400 нанометрів.

Розмір цих хвиль в тисячі разів більше, ніж розмір атомів. Тому при висвітленні окремих атомів вони оминають їх. Або відображаються, не передаючи структури поверхні. Намагатися побачити атом в оптичний мікроскоп – те ж саме, що екскаватором ловити комара! Або як вентилятором здути рівно одну порошинку зі столу.

У звичайний оптичний мікроскоп будь-яка поверхня буде видна як суцільна, а не складається з окремих атомів. У нього неможливо побачити атоми і деталі, розміри яких менше половини довжини хвилі світла, тобто близько 200 нанометрів. Це – дифракційну межу, який притаманний будь-яким хвилях. І щоб подолати його, треба висвітлювати об’єкт чимось іншим.

Електронний
В електронному мікроскопі зразок висвітлюється пучком електронів, які не такі прості, як здається на перший погляд. Вони, як і всі інші елементарні частинки, можуть проявляти хвильові властивості. Тобто потік електронів можна розглядати як хвилю. І якщо розігнати його до величезній швидкості, його довжина хвилі буде менше розмірів атомів.
Дифракційну межу електронного мікроскопа в тисячі разів менше, ніж у оптичного. Тому в нього можна розгледіти ну дуже маленькі об’єкти! Електронний мікроскоп може давати зображення окремих атомів, і, хоча вони виходять трохи нечіткими, їх все-таки можна побачити окремо. Значить, вони існують, ура!

Електронні мікроскопи взагалі відмінна штука, особливо растрові. У них пучок електронів сканує об’єкт, і завдяки тому, що його можна зробити дуже тонким, зберігається феноменальна різкість по всій площі зображення, чого дуже складно домогтися на оптичних мікроскопах. Зображення виходить в градаціях сірого, але його можна потім розфарбувати. Забавно, але неметалеві предмети покривають тонким шаром золота. Адже під градом з електронів на поверхні швидко накопичується заряд. Золото дуже добре проводить струм і забирає зайве електрику.

зондовий
Але, мабуть, самий незвичайний і цікавий – скануючий зондовий мікроскоп. У нього теж можна побачити окремі атоми, адже він працює наступним чином.
Це дуже тонка голка, яка рухається уздовж поверхні досліджуваного об’єкта. Кінчик голки дуже гострий – його радіус заокруглення порядку десятків ангстрем (це кілька атомів). Він взаємодіє практично з окремими атомами речовини, це зчитується сенсорами, і комп’ютерними методами відновлюється рельєф поверхні. По суті цей мікроскоп не дивиться, а обмацує поверхню з феноменальною точністю!

Є різні типи таких мікроскопів. У деяких зчитується сила електричного струму, що проходить між голкою і зразком. В інших вимірюється сила тяжіння або відштовхування голки від атомів зразка. Є навіть такі, в яких замість голки використовується світловод і маленький отвір. У них реєструється відбите світло і можливо подолання дифракційного межі.

За допомогою зондового мікроскопа можна навіть розгледіти форму електронних хмар, настільки він чутливий. Більш того, його можна використовувати не зовсім за прямим призначенням і переміщати окремі атоми. Досить прикласти напругу побільше, атоми будуть «прилипати» до голки, і їх можна буде переносити на інше місце. Вже зараз вчені можуть писати слова і навіть створювати мультики з окремих атомів! Звичайно, це технологія працює на наномасштабі, але можна уявити собі, що в майбутньому вчені зможуть створити абсолютно будь-чудовисько.

Як бачите, не всі підвладне нашому погляду, і в мікросвіті звичайне світло, завдяки якому ми бачимо те, що нас оточує, ніяк не може нам допомогти. На щастя, є й інші методи, завдяки яким вдається переконатися в існуванні атомів.

Посилання на основну публікацію