Как увидеть атом: Настоящее фото атома |

Содержание

Как увидеть атом

Прибор, которым воспользовались ученые, создавал сфокусированный электронный пучок поперечником всего 5 ангстрем. Это в десятки тысяч раз тоньше человеческого волоса. Исследуемое вещество помещалось в фокусе этого пучка. Судьба электронов, падающих на объект, различна: они могут упруго рассеиваться атомами вещества, подобно бильярдным шарам, отпрыгивающим от бортов бильярда; они могут рассеиваться неупруго, теряя скорость, как происходит при столкновении шаров из пластилина; наконец, они могут пройти через объект, не взаимодействуя с его атомами и не меняя ни направления своей скорости, ни ее величины. Для успеха всего дела были важны два обстоятельства: во-первых, чем больше атомный номер вещества (иными словами, чем больше его атомный вес), тем больше будет количество как упруго, так и неупруго рассеянных электронов.

Во-вторых, при упругом рассеянии электроны сильно отклоняются от первоначального направления, а при неупругом они отклоняются на небольшие углы, так что их первоначальное направление приблизительно сохраняется. Поэтому путем небольшой хитрости можно разделить рассеянные упруго и неупруго электроны. Добавив сюда некий прибор — спектроанализатор энергии, позволяющий разделить электроны разных энергий в одном и том же пучке,— отделим те электроны, что не взаимодействуют с атомами вообще.

Таким образом, вся сложность сортировки «нужных» электронов, тех, что могут дать изображение атомов, от ненужных была преодолена. Но любой объект под микроскопом — это сам объект плюс подложка, на которой он лежит. Во-первых, как положить на подложку один атом? А во-вторых, как снять эффект от подложки? Ведь ее атомы тоже будут рассеивать электроны. С первым справиться нетрудно. Если пятно у нас 5 ангстрем, значит, надо нанести на предметный столик такой слабый раствор вещества, чтобы на пятнышко электронного луча приходилось меньше одного атома. Со второй проблемой справиться труднее. Но и ее удалось решить. В качестве подложки использовали очень тонкую углеродную пленку, всего в 20 ангстрем толщиной.

Такую пленку получить нетрудно. Если в пятно попадет 1 атом вещества, то на экране у нас будет картинка от этого одного атома плюс все атомы подложки в объеме цилиндра с основанием 5 ангстрем и высотой 20 ангстрем (толщина пленки). Казалось бы, безнадежная ситуация. Но расчет показал, что присутствие одного тяжелого атома типа урана изменяет сигнал почти на 70 процентов по сравнению с сигналом от чистой пленки.

Первым испытанным веществом был уранил-ацетат. Очень слабый раствор этого вещества наносился на чистую углеродную пленку, которая затем подсушивалась. Ее поместили под электронный луч — и на экране появились яркие пятна. Чистая углеродная пленка таких пятен не давала. Человек увидел отдельные атомы! (Теперь вы знаете, как можно потенциально увидеть атом, хотя, разумеется, для обычных людей вряд ли будет стоять подобная задача, и даже студента-физика больше будет интересовать практическая помощь в его учебе, которую можно получить, в том числе, с помощью образовательного ресурса “Автор24“. Но вернемся к теме нашей статьи).

Но, может быть, эти светлые пятна совсем не атомы урана, а возникли из-за неодинаковой толщины пленки или в результате колебании интенсивности самого электронного пучка? Расчет показал, что даже при самых неблагоприятных условиях обе причины не могут изменить сигнал с детектора более чем на 20 процентов, а наблюдаемое изменение составляло от 40 до 70 процентов! И наконец, последняя экспериментальная проверка того, что наблюдались именно индивидуальные тяжелые атомы. Идея была одновременно проста и остроумна. Для испытания взяли такое вещество, у молекул которого тяжелые атомы расположены на известном расстоянии друг от друга.

Это продукт реакции уже знакомого нам уранил-ацетата с веществом, имеющим не слишком поэтическое название «1, 2, 4, 5- бензолтетракарбониевая кислота».

У молекулы этого вещества два атома урана удалены друг от друга на 13 ангстрем. Углеродную пленку с таким веществом положили на предметный столик микроскопа — и на экране появились пары ярких пятен, причем расстояние между ними соответствовало теоретической величине 13 А! Победа!

Мало того. Эти содержащие уран молекулы способны объединяться по две, три и т. д., образуя диамеры, тримеры и т. п. Тогда расстояние между атомами в этих сложных молекулах-агрегатах будет близко к ряду 13, 26, 39 А и т. д.

Измерения ярких пятен показали, что расстояние между ними действительно подчиняется этой закономерности.

В руках ученых появилось новое оружие; с его помощью мы можем не только наблюдать отдельные атомы, но и изучить их расположение и даже измерять расстояния между ними. Образно говоря, молекулу с тяжелыми атомами можно положить на предметный столик микроскопа и прямо увидеть, где и как они расположены.

А что если прикрепить отдельные атомы тяжелых элементов как своеобразные «метки» к сложным молекулам? В самом деле, предположим, что нам надо исследовать порядок чередования оснований в знаменитой молекуле ДНК. Если нам удастся подобрать «метку» из атомов какого-либо тяжелого металла для каждого из четырех оснований, входящих в молекулу ДНК, то, наблюдая в наш микроскоп, можно буквально «на глаз» считать
этот порядок, который определяет генетическую информацию, «записанную» в молекуле ДНК. Для каждого основания, разумеется, нужна своя «метка» — атом.

Уже обнаружено, что одна из солей осмия может присоединяться к тимину — одному из четырех оснований, как раз и являющихся кодирующими знаками в цепи ДНК. Возможно, это позволит при помощи сканирующего электронного микроскопа проследить структуру всей цепи ДНК, наблюдая, где на ней расположены «метки» — атомы осмия.

Поиски таких «меток» сильно облегчились бы, если бы при помощи электронного микроскопа удалось увидеть атомы с меньшим атомным номером, например молибдена или серебра.

Для этого разрешающую способность нужно повысить до 2—3 А. Это трудно. Рассеяние электронов на легких атомах иное, чем на тяжелых. В результате условия наблюдения отдельных атомов значительно ухудшаются, в частности уменьшаемся контрастность. Но исследователи не теряют надежды на успех.

Автор: Л. Самсоненко.

6.5. Можно ли увидеть атомы по отдельности? . Чердак. Только физика, только хардкор!

Со школьного возраста мы знаем, что все окружающие нас тела состоят из атомов. Но нам не показывали никаких фотографий, мы не видели их в микроскоп, а просто поверили. Так можно ли увидеть атомы по отдельности и убедиться в их существовании?

Давайте разбираться. Человеческий глаз может увидеть объекты размером не менее 0,05 мм. Но атомы намного меньше! (От 64?10^?12 м до 450?10^?12 м) Они настолько маленькие, что если увеличить их до размеров клубники, клубника будет размером с Землю. Поэтому увидеть их можно разве что в микроскоп. Но не все микроскопы подойдут для подглядывания за атомами.

Оптический

Самый простой и старый тип микроскопов. Для того, чтобы увидеть какой-либо объект (причем не только в микроскопе), его необходимо осветить. В оптическом микроскопе для этого используется свет, который воспринимает человеческий глаз. Это волны видимого диапазона, длина волны которых колеблется от 700 до 400 нанометров.

Размер этих волн в тысячи раз больше, чем размер атомов. Поэтому при освещении отдельных атомов они огибают их. Или отражаются, не передавая структуры поверхности. Пытаться увидеть атом в оптический микроскоп – то же самое, что экскаватором ловить комара! Или как вентилятором сдуть ровно одну пылинку со стола.

В обычный оптический микроскоп любая поверхность будет видна как сплошная, а не состоящая из отдельных атомов. В него невозможно увидеть атомы и детали, размеры которых меньше половины длины волны света, то есть около 200 нанометров. Это – дифракционный предел, который присущ любым волнам. И чтобы преодолеть его, нужно освещать объект чем-то другим.

Электронный

В электронном микроскопе образец освещается пучком электронов, которые не так просты, как кажется на первый взгляд. Они, как и все остальные элементарные частицы, могут проявлять волновые свойства. То есть поток электронов можно рассматривать как волну. И если разогнать его до огромной скорости, его длина волны будет меньше размеров атомов.

Дифракционный предел электронного микроскопа в тысячи раз меньше, чем у оптического. Поэтому в него можно разглядеть ну очень маленькие объекты! Электронный микроскоп может давать изображение отдельных атомов, и, хотя они получаются немного нерезкими, их все-таки можно увидеть по отдельности. Значит, они существуют, ура!

Электронные микроскопы вообще отличная штука, особенно растровые. В них пучок электронов сканирует объект, и благодаря тому, что его можно сделать очень тонким, сохраняется феноменальная резкость по всей площади изображения, чего очень сложно добиться на оптических микроскопах. Изображение получается в градациях серого, но его можно потом раскрасить. Забавно, но неметаллические предметы покрывают тонким слоем золота. Ведь под градом из электронов на поверхности быстро накапливается заряд. Золото очень хорошо проводит ток и уносит лишнее электричество.

Зондовый

Но, пожалуй, самый необычный и интересный – сканирующий зондовый микроскоп. В него тоже можно увидеть отдельные атомы, ведь он работает следующим образом.

Это очень тонкая игла, которая движется вдоль поверхности исследуемого объекта. Кончик иглы очень острый – его радиус закругления порядка десятков ангстрем (это несколько атомов). Он взаимодействует практически с отдельными атомами вещества, это считывается сенсорами, и компьютерными методами восстанавливается рельеф поверхности. По сути этот микроскоп не смотрит, а ощупывает поверхность с феноменальной точностью!

Есть разные типы таких микроскопов. В некоторых считывается сила электрического тока, проходящего между иглой и образцом. В других измеряется сила притяжения или отталкивания иглы от атомов образца. Есть даже такие, в которых вместо иглы используется световод и маленькое отверстие. В них регистрируется отраженный свет и возможно преодоление дифракционного предела.

С помощью зондового микроскопа можно даже разглядеть форму электронных облаков, настолько он чувствительный. Более того, его можно использовать не совсем по прямому назначению и перемещать отдельные атомы. Достаточно приложить напряжение побольше, атомы будут «прилипать» к игле, и их можно будет переносить на другое место. Уже сейчас ученые могут писать слова и даже создавать мультики из отдельных атомов! Конечно, это технология работает на наномасштабах, но можно вообразить себе, что в будущем ученые смогут создать абсолютно любое чудище.

Как видите, не все подвластно нашему взору, и в микромире обычный свет, благодаря которому мы видим то, что нас окружает, никак не может нам помочь. К счастью, есть и другие методы, благодаря которым удается убедиться в существовании атомов.

Как схватить атом

2 мая 2003 г. • Физ. Rev. Focus 11, 19

Исследователи подняли один атом с поверхности, а затем заменили его без использования электрического тока.

Физ. Преподобный Летт. 90 , 176102 (2003)

То видишь, то нет. Исследователи использовали наконечник атомно-силового микроскопа, чтобы поднять один атом с поверхности (сверху, до и после), а затем заменить его (не показано). Этот метод работает с непроводящими материалами, в отличие от прошлых методов манипулирования атомами. То видишь, то нет. Исследователи использовали наконечник атомно-силового микроскопа, чтобы поднять один атом с поверхности (сверху, до и после), а затем заменить его (не показано). Этот метод работает с непроводящими материалами, в отличие от прежних атомных ман… Показать больше

Phys. Преподобный Летт. 90 , 176102 (2003)

Подобно тому, как обедающий протыкает кусок пищи зубцом вилки, исследователи использовали кончик микроскопической иглы, чтобы поднять один атом с поверхности, а затем заменить его. Эксперимент, о котором сообщалось в PRL от 2 мая, знаменует собой первый случай, когда с отдельными атомами манипулировали с использованием чисто механической техники, а не с использованием электрического тока. Новый метод может позволить исследователям управлять отдельными атомами как непроводящих, так и проводящих материалов, возможно, для наноразмерных схем будущего.

Чтобы получить изображение топографии поверхности атомного масштаба с помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), вы подаете напряжение на микроскопическую иглу, медленно перемещаете ее по поверхности и непрерывно измеряете электрический ток, протекающий между наконечником и поверхностью. Аналогичное устройство, называемое атомно-силовым микроскопом (АСМ), отображает поверхность путем измерения механических сил, действующих на наконечник, поэтому оно работает и для непроводящих материалов. В 1989 году команда IBM показала, что они могут использовать наконечник СТМ для перемещения атомов, и они написали буквы «I-B-M» с 35 отдельными атомами ксенона на поверхности никеля. С тех пор СТМ были популярны для перемещения атомов по более сложным схемам, но никто не манипулировал атомами на непроводящей поверхности.

Теперь группа исследователей из Университета Осаки в Японии совершила подвиг, аналогичный подвигу команды IBM, но с использованием АСМ вместо СТМ. Исследователи опустили кремниевый наконечник АСМ к поверхности кремния и надавили на один атом. Сфокусированное давление, по-видимому, вынуждало атом освобождаться от связей с соседними атомами, что позволяло ему связываться с иглой АСМ. Когда они подняли наконечник и представили материал, они увидели дыру на том месте, где раньше был атом. Наконец, они использовали наконечник, чтобы нажать на оставшуюся вакансию и заменить выбранный атом — на этот раз с помощью давления, чтобы разорвать связь с наконечником. Член команды Оскар Кастанс говорит, что с точки зрения точности задача подобна использованию вершины Эмпайр-стейт-билдинг, чтобы поднять один арбуз с арбузного поля.

Рубен Перес из Мадридского университета впечатлен работой команды. «Это то, что легко представить, — говорит он, — но это нелегко сделать, потому что вы должны делать это очень мягко и очень контролируемо». Кастанс говорит, что непроводящие материалы являются важными частями современных электронных схем, поэтому исследователям потребуется манипулировать такими атомами для создания наносхем в будущем. Но он признает, что схемы атомного масштаба все еще являются «научной фантастикой». Перес говорит, что подобные эксперименты дают экспертам лучшее понимание того, как манипулировать отдельными атомами, поскольку они работают над созданием устройств атомного масштаба.

– Леа Винерман

Леа Винерман – независимый научный писатель.

Subject Areas

Atomic and Molecular Physics

Enhanced Emission for Improved Electron Spectroscopy

December 7, 2022

Researchers have demonstrated a new electron field emitter with unprecedented brightness и спектральная чистота, обещающая прорыв в спектроскопии электронного микроскопа. Подробнее »

Астрофизика

Более четкое представление о линиях излучения железа

5 декабря 2022 г.

Исследователи решили давнюю загадку вокруг линий излучения железа, которые используются для характеристики лабораторной и астрофизической плазмы. Подробнее »

Атомная и молекулярная физика

Два пути к магнитному градиентометру

23 ноября 2022 г.

Атомные магнитометры, использующие две новые геометрии, могут исключать фоновые поля для обнаружения слабых, близких радиочастотных источников. Подробнее »

Еще статьи

оптика — Как теперь мы можем увидеть атом? Каков был масштаб этого оборудования?

спросил
4 года 10 месяцев назад

Изменено
4 года, 5 месяцев назад

Просмотрено
19 тысяч раз

$\begingroup$

Я только что видел это в новостях — Одиночная ловушка атома захватила главный приз конкурса научной фотографии.

Авторы и права: Дэвид Надлингер через EPSRC

Я не учусь на физике, но думаю, что знаю основы. Я всегда считал, что мы не можем увидеть отдельные атомы невооруженным глазом. Что позволяет этой картине заставить нас увидеть один атом?

Если этот Единый атом удерживается полем, то почему атомы этого самого поля не видны?

оптика
атомная физика
образование
атомы
ионные ловушки

$\endgroup$

$\begingroup$

Вопросы о том, можете ли вы обнаружить свет, испускаемый (изолированным) атомом, и можете ли вы выделить атом из его соседей, совершенно независимы.

Расстояние между различными атомами в обычном материале по-прежнему невозможно определить с помощью видимого света, длина волны которого в несколько тысяч раз больше. Вы можете «увидеть» отдельные атомы, используя другие методы микроскопии (посмотрите, например, этот короткий фильм в качестве хорошего примера), но они используют довольно сложные инструменты и постобработку, и они не отражают то, что видно невооруженным человеческим глазом. .

Однако картинка, которую вы цитируете, не изображает один атом из многих в материале. Вместо этого это действительно один изолированный атом, удерживаемый в вакууме набором электрических «пинцетов», называемых ионной ловушкой (сама по себе создается металлическими электродами, окружающими атом, которые будут иметь пару сантиметров в поперечнике) и который излучает свет посредством флуоресценции (т. е. возбуждается лазером и повторно излучает этот свет). Размер атома, как он предстает на картинке, не имеет ничего общего с его реальным размером: с точки зрения камеры атом является точечным источником, и ненулевой разброс изображения обусловлен конечным разрешением камера.

Таким образом, если предположить, что захваченный атом достаточно яркий, его в принципе можно было бы увидеть невооруженным глазом, и в этом случае он был бы очень похож на звезду в ясную, тихую ночь (которые также являются точечными источниками, насколько наша затрагиваются глаза, хотя их внешний вид затем меняется от мерцания). Достаточно ли реально используемых экспериментальных конфигураций для производства атомов, достаточно ярких, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом, — хороший вопрос; я понимаю, что это не совсем возможно, но с полностью темным фоном это не так уж и далеко.

Это означает, что человек не сможет одновременно видеть и сам атом, и электроды-ловушки, поскольку для того, чтобы увидеть атом, требуется полностью темный фон. Что касается камеры, автор пояснил в комментарии, что это одна тридцатисекундная экспозиция, при этом электроды освещаются вспышкой камеры в середине экспозиции.

Наконец, чтобы ответить на ваш расширенный вопрос,

Если этот единственный атом удерживается там полем, то почему атомы этого самого поля не видны?

ответ заключается в том, что поле, которое удерживает его, вовсе не состоит из атомов. Атом на картинке удерживается на месте электростатическими силами — теми же силами, которые вы используете, чтобы вытягивать кусочки бумаги с помощью воздушного шарика, которым вы потерлись о волосы. Говорят, что электростатические силы, такие как магнитные силы и гравитация, образуют поле, но это силовое поле, состоящее исключительно из сил и не состоящее из атомов. Эффект здесь аналогичен магнитной левитации, за исключением того, что вы используете электрические поля (тщательно сконструированные, создаваемые металлическими электродами, окружающими атом на картинке) вместо магнитов.

$\endgroup$

$\begingroup$

Честно говоря, это объясняется в вашей ссылке. Проще говоря,

Если осветить его правильным светом, он начинает светиться так ярко, что его может обнаружить хорошая камера.
Чтобы это работало, атом должен быть как можно более неподвижным. Это достигается путем «замораживания» и использования магнитов, чтобы удерживать его неподвижно.

Крупный план для полноты:

$\endgroup$

$\begingroup$

Хотя физика уже была рассмотрена в других ответах, позвольте мне дать вам представление о том, как объяснить разницу между обнаружением и разрешением четырехлетнему ребенку:

Попробуйте провести аналогию. Что-то, что вы не можете решить индивидуально, но довольно легко видите.
Первое, что приходит на ум, — это свет на расстоянии. Это может сделать кучка светодиодов на расстоянии, экран вашего компьютера/телевизора, один из тех больших экранов, которые вы можете найти на зданиях, освещенные (или темные) окна далекого дома, буквы на листе бумаги и, возможно, много вещей, о которых я не могу думать сейчас.

Принцип остается тем же: выберите правильные условия освещения и правильное расстояние, и будет легко увидеть, горит ли отдельный «пиксель» или нет. Но можете ли вы различить один пиксель или два? Можете ли вы посчитать пиксели, если все они освещены (вероятно, экран компьютера идеально подходит для этого)? Можете ли вы сказать, где заканчивается один пиксель и начинается другой?

Хорошо, аналогия не объясняет пределов разрешения, но я думаю, что с 4-летним ребенком можно неплохо прочувствовать разницу между обнаружением и разрешением, и «если я присмотрюсь, я увижу больше деталей — но, может быть, я не могу смотреть достаточно близко без особых усилий».

$\endgroup$

$\begingroup$

В типичном человеческом опыте атомы не одиноки. Даже атмосфера имеет огромное количество атомов в крошечном объеме. Когда вы освещаете свет достаточно ярко, чтобы видеть объем воздуха (или твердый объект), свет одновременно отражается от большого количества атомов. Человеческие глаза не могут отличить свет от отдельных атомов, они смешиваются друг с другом. Когда вы смотрите на телевизор с близкого расстояния, вы можете видеть отдельные пиксели (или даже субпиксели) — когда вы смотрите издалека, вы по-прежнему видите все пиксели, но не можете легко отличить их друг от друга.

Теперь представьте, что из миллионов пикселей на экране телевизора все черные, кроме одного. Несмотря на то, что отдельные пиксели «слишком малы, чтобы их можно было увидеть» (отличить от 90 182 других 90 183 пикселей поблизости), обычно один пиксель четко выделяется на черном фоне. И это в основном то, что эти ребята сделали с атомами — держат один атом подальше от других атомов и светят светом. Атом по-прежнему «слишком мал, чтобы его можно было увидеть», но он выглядит как размытое пятно ( намного больше, чем сам атом), так как вокруг него мало шума. И, как и в случае с пикселями в телевизоре, если вы поместите два атома близко друг к другу, вы не увидите никакой разницы — они все равно будут выглядеть как один атом. На самом деле вам потребуется очень большое количество атомов вместе, чтобы было очевидно, что вы больше не смотрите на «видимый отдельный атом».

Другими словами, «слишком мал, чтобы видеть» не означает, что буквально слишком мал, чтобы видеть. Когда вы смотрите на свет, отраженный от любого объекта, вы «видите» атомы, молекулы и даже отдельные электроны (насколько вы можете говорить об идентичности электрона в любом случае — подумайте больше об «электроне на определенной орбитали», не «электрон по имени Боб»; у электронов на самом деле нет идентичности). Буквальное значение утверждения: «слишком мало и слишком близко друг к другу, чтобы их можно было отличить друг от друга». Если вы посмотрите с самолета ночью, вы сможете ясно увидеть освещенные города, но не сможете различить отдельные уличные фонари, хотя все это освещение исходит от таких источников света.

$\endgroup$

$\begingroup$

Когда я только что объяснил своей 8-летней, что такое атомы (оказалось, что она уже знала, в любом случае, их учат этому маленькому кусочку информации в школе за несколько дней до этого возраста), я просто воспользовался старым добрым греческим подходом — представьте, что вы берете кусок пирога, делите его на две части и т. д. и т. д. Я обнаружил, что 8-летний ребенок способен понять концепцию, согласно которой в какой-то момент вы больше не можете делить «вещи». Я остановился на этом, потому что а) ей еще не нужно знать о протонах, электронах или даже кварках и б) образ старых философов все еще верен. Разделение материи макроуровня (атомов) таким образом, пока вы не достигнете атомарного (или молекулярного) уровня, принципиально отличается от дальнейшего разделения атомов на их составляющие.

Для 4-летнего ребенка это нужно сильно упростить. Просто используйте масштаб. Покажите им маленькую песчинку, которую едва можно разглядеть невооруженным глазом. Затем положите эту песчинку на стол и уходите с ребенком. Укажите, что теперь она больше не может этого видеть. Это должно дать ей понять, что важно, насколько близко вы находитесь к объекту.

Если у вас дома есть увеличительное стекло, вы можете продемонстрировать, насколько большой выглядит песчинка, если смотреть через него.

В остальном это простая аналогия: «Атомы такие же, но намного, намного, намного меньше. А в прошлом, когда я говорил вам, что мы не можем их видеть, вокруг не было увеличительных стекол, которые были бы достаточно хороши. .Но недавно они изобрели кое-что, что может!» Или, если это звучит как ложь (я не знаю, были ли какие-то прорывы в этой области за последние 1-2 года с тех пор, как вы сказали своему ребенку. ..), скажите что-то вроде: «Конечно, у тех парней есть увеличительные стекла, которые размером с комнату, они могут видеть атомы, а мы здесь не можем.»

Мы оба знаем, что это грубое упрощение, но мы говорим о мировоззрении 4-летнего ребенка. Ей еще не нужно полное понимание квантовые эффекты, фотоны, взаимодействующие с атомами и тому подобное Вышеизложенное даст ей представление, это не совсем неправильно, и к нему можно будет подойти более подробно намного позже

О, и, очевидно, есть много людей, которые являются подростками или даже взрослым, и у них нет ни малейшего шанса понять «настоящие» объяснения больше, чем у 4-летнего ребенка.Для них подобные объяснения также могут работать нормально.0007

$\endgroup$

$\begingroup$

Лампочку не увидишь за сотни метров от себя даже средь бела дня. Однако ночью при включении можно.