Можно ли увидеть атомы по отдельности?
Всем привет! Меня зовут Дмитрий Побединский, я рад приветствовать вас на портале Qwerty, где нескучно и интересно. Можно узнать о науке и технологиях со школьного возраста.
Мы знаем, что все окружающие нас тела состоят из атомов, но нам не показывали никаких фотографий. Мы не видели их в микроскопе, а просто этому поверили. И вправду, можно ли увидеть атомы по отдельности и убедиться в их существовании? Можно. Ладно, давайте разбираться.
Человеческий глаз может увидеть объекты размером не менее пяти сотых миллиметра, но атомы намного мельче. Если увеличить атом до размеров клубники, то клубника будет размером с Землю. Поэтому увидеть их можно разве что в микроскоп. Но не все типы микроскопов подойдут для подглядывания за атомами, и давайте разберемся, почему.
Самый простой тип микроскопов — это оптический. Для того чтобы увидеть какой-то объект, его необходимо осветить. В этом типе микроскопов для этого используется обычно освещение, которое воспринимает человеческий глаз. Это волны видимого диапазона, длина которых от 400 до 700 нанометров. Как видите, размеры этих волн в тысячи раз больше, чем сами атомы, поэтому при освещении они их огибают или отражаются, не передавая структуры поверхности.
Попытаться увидеть атомы в оптический микроскоп — это то же самое, что ловить экскаватором комара или сдувать одну пылинку со стола вентилятором. В микроскоп невозможно увидеть объекты размером меньше дифракционного предела, это приблизительно половина длины волны, то есть около 200 нанометров. Для того чтобы преодолеть это ограничение, необходимо освещать объект чем-то другим.
В электронном микроскопе образец освещается потоком электронов, и на самом деле они не такие простые, как кажется на первый взгляд. Электроны, как и все остальные элементарные частицы, могут проявлять волновые свойства, то есть поток электронов можно рассматривать как волну. Если разогнать воду очень большой скорости, то его длина волны будет в тысячу раз меньше, чем у видимого света. Получается, что дифракционный предел электронного микроскопа может быть в размерах атомов, что позволяет их увидеть по отдельности.
Действительно, электронный микроскоп может давать изображение отдельно молекул и атомов, что является неоспоримым доказательством их существования. Ура! Электронный микроскоп — это вообще очень классная штука, особенно в Ростове. В них пучок электронов сканирует поверхность, и благодаря тому, что он очень-очень тоненький, сохраняется феноменальная резкость по всему полю изображения, чего очень сложно достигнуть в оптических микроскопах.
Но, пожалуй, самый необычный и интересный — это сканирующий зондовый микроскоп. В него тоже можно увидеть отдельные атомы. Ведь работает он по следующему принципу: это очень маленькая игла, которая движется вдоль поверхности объекта. Причем кончик иглы очень острый, на нем всего лишь несколько атомов. Игла взаимодействует практически с отдельными атомами вещества, это считывается сенсорами, и компьютерными методами восстанавливается рельеф поверхности.
То есть, по сути, он не смотрит, а ощупывает поверхность с феноменальной точностью. Есть разные типы таких микроскопов. В одних считывается сила тока, протекающего между иглой и образцом, в других измеряется сила притяжения или отталкивания иглы от атомов образца. Есть даже такие, в которых вместо иглы используются световоды и маленькое отверстие, в них регистрируется отраженный свет.
Невозможно преодоление дифракционного предела с помощью зондовых микроскопов. Можно увидеть не только отдельные атомы, но и даже форму электронных облаков, настолько они чувствительны. Более того, их можно использовать не совсем по прямому назначению и перемещать отдельные атомы. Достаточно приложить повышенное напряжение, как атом грубо говоря прилипает к ней, и его можно переносить на другое место.
И вы только представьте, уже сейчас ученые могут писать слова и даже создавать мультики из отдельных атомов. Конечно же, эта технология работает на наноразмерах, но в будущем, возможно, вы только вообразите, мы сможем создавать из отдельных атомов абсолютно любого монстра.
А на этом все! Ставьте лайки, подписывайтесь на наш канал, чтобы не пропустить новые видео, и спасибо за просмотр!