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.
Увидев атомы — UND Today
3 декабря 2019 г.
Том Деннис
Опубликовано в: College of Arts & Sciences
«Невозможно», — сказали однажды физики, когда их спросили, смогут ли люди когда-либо видеть атомы.
Сегодня физик Нури Онсел ответил бы: «Вполне возможно»
Нури Онсел, доцент кафедры физики и астрофизики, выступил с докладом «Вы когда-нибудь видели атом?» для серии лекций факультета от 20 ноября. Фото Патрика С. Миллера/UND Today.
Вы видите атом?
В своей недавней лекции на эту тему в Университете Северной Дакоты Нури Онсель, доцент кафедры физики и астрофизики, ответил на этот вопрос следующим образом:
№
Да.
И да.
Нет, вы не можете увидеть атом так, как мы привыкли «видеть» вещи, то есть используя способность наших глаз воспринимать свет. Онсел сказал, что атом просто слишком мал, чтобы отражать видимые световые волны, а это значит, что он не будет виден даже под самыми мощными фокусирующими свет микроскопами.
Но…
Да, вы можете увидеть атом, как только вы поймете, что мы можем исследовать поверхности с помощью пучков электронов, а не света. Сканирующие туннельные микроскопы генерируют электронные волны, которые могут взаимодействовать с атомами.
По словам Онсела, микроскопы измеряют это взаимодействие и превращают эти показания в изображения атомов, часто с поразительной детализацией.
И …
Да, можно «видеть» атомы и дальним обзором. В случае с Онселем это привело его к изучению — на атомном уровне — технологически важных поверхностей кристаллов.
Кремний — это кристалл, и, разрезая куб кремния под разными углами, ученые могут создавать плоскости или плоские поверхности с различными узорами атомов. Si(111) относится к одной из таких плоскостей. Слева от этого слайда из презентации профессора Онселя в PowerPoint представлена схема атомной структуры поверхности Si(111). Справа представлено изображение этой поверхности, полученное с помощью сканирующего туннельного микроскопа, раскрашенное для более четкого отображения атомной структуры. Изображение предоставлено Нури Онсел/Университет Северной Дакоты.
Для дальнего обзора показано, как наблюдение — изучение, экспериментирование и манипулирование — атомами таким образом не только вносит свой вклад в совокупность человеческих знаний, но и помогает развивать экстраординарные технологии, которые произвели революцию в жизни на Земле.
Эти технологии включают настольный компьютер, ноутбук или смартфон, на котором вы читаете эту статью.
— Природа использует атомы для образования молекул и структур, — сказал Онсел.
«А то, что нам интересно, мы хотим делать сами. Мы хотим фактически контролировать атомы и размещать их в нужных местах, чтобы создавать полезные структуры. Это наша мотивация для всего этого».
Наблюдение за атомами с помощью электронной микроскопии позволяет создавать еще более компактные и быстрые компьютеры, а также удивительные новые материалы, такие как графен. Выделенный совсем недавно, в 2002 году, графен является первым когда-либо обнаруженным двумерным материалом. Это решетка из атомов углерода толщиной всего в один атом, но в пропорции к своей толщине она в 100 раз прочнее стали.
«Я физик-экспериментатор, и моя цель — найти новые материалы с новыми физическими и химическими свойствами, — сказал Онсел.
Наблюдение за атомами помогает Онселю и его коллегам делать именно это.
Квантовая механика
Нури Онсел. Фото Патрика С. Миллера/UND Today.
Серия лекций для преподавателей — это возможность для преподавателей UND рассказать о своих исследованиях своим коллегам из других отделов, а также широкой публике. Это замечательная, но реальная задача — особенно в такой области, как физика, которая включает в себя продвинутую математику и другие труднообъяснимые концепции, — сказала Канишка Марасингхе, профессор и заведующая кафедрой физики и астрофизики UND.
«И это тем более верно в данном случае, потому что мы говорим о вещах, которые составляют одну стотысячную ширины волоса», — сказал Марасингхе UND сегодня, прямо перед тем, как представить Онсела публике.
«Мы никогда не видим этого своими глазами и даже не можем представить, насколько он мал. Итак, пытаться сказать людям, что мы имеем дело с вещами такого масштаба, а затем объяснять это даже хорошо информированной аудитории — да, это вызов».
Онсел принял вызов, описав не только полезность, но и красоту и чудо объектов атомарного масштаба.
Например, в то время как движение планет и других крупных объектов можно объяснить с помощью классической физики, для объяснения природы в ее мельчайших деталях требуется совершенно новая теория: квантовая физика.
Эта теория лежит в основе сканирующих туннельных микроскопов, один из которых находится в лаборатории Онсела. СТМ используют квантовое туннелирование, эффект, при котором электроны проходят через барьер из-за их волнообразных свойств.
Онсел использовал для иллюстрации анимированный мультфильм «Дорожный бегун». В мультфильме Койот рисует туннель на склоне горы. Затем он ждет Дорожного Бегуна, который приближается и мчится через туннель.
— Итак, моя машина похожа на Road Runner, — сказал Онсел, вызвав смех у публики.
Исследование: формализованное любопытство
Физика также может помочь предсказать будущее, отметил Онсел. Обратите внимание на цитату соучредителя Intel Гордона Мура: «Интегральные схемы приведут к таким чудесам, как домашние компьютеры… автоматическое управление автомобилями и персональное портативное коммуникационное оборудование».
Тогда учтите, что Мур сделал это наблюдение в 1965 году, и вы увидите, насколько полезным может быть близкое понимание атомного и субатомного мира, предложил Онсел.
Президент UND Джошуа Винн (справа) вручил Нури Онсел сертификат ведущего серии лекций UND для преподавателей. Фото Патрика С. Миллера/UND Today.
Что касается красоты, Онсел описал свое сотрудничество с NanoArt с Бетси Таден, учительницей рисования в средней школе Ред-Ривер в Гранд-Форксе.
В рамках этой информационно-просветительской работы Онсел показывает учащимся изображения атомных структур с помощью сканирующего туннельного микроскопа, а учащиеся превращают эти изображения в произведения искусства.
Как свидетельствуют яркие и красочные работы студентов, физика — это нечто большее, чем уравнения и абстракции, — сказал Онсел в своей лекции. В том-то и дело: донести до учащихся, что физика и другие науки могут вызывать не только понимание, но и радость.
— Как витражи в соборах Европы, — сказал Онсел.
«Чтобы создать цветное стекло, нужно знать чертовски много химии. … Все начинается с науки, и опытные художники знают и уважают эту науку».
Время от времени во время своего выступления Онсел описывал исследование, которое он и его сотрудники провели, и объяснял документы, которые были получены в результате. Заголовки этих статей — «Кулоновская блокада и отрицательное дифференциальное сопротивление при комнатной температуре: самоорганизующиеся квантовые точки на поверхности Si (110)» — могут быть трудны для понимания неспециалистом.
Но их цель не должна быть такой, заметил Онсел, поскольку все они являются выражением одной из самых фундаментальных и важных целей Университета: расширить наше понимание Вселенной посредством исследований.
И все они, по своей сути, являются попытками «увидеть» атомы во все более богатом и подробном виде. Ибо, как однажды сказал другой ученый: «Учитывая, насколько мал атом, удивительно, как много физики мы можем из него извлечь».
Можем ли мы увидеть атомы? — Как работают атомы
Атомы настолько малы, что мы не можем видеть их глазами (т. е. микроскопическими). Чтобы дать вам представление о некоторых размерах, вот приблизительные диаметры различных атомов и частиц:
- атом = 1 x 10 -10 метров
- ядро = 1 x 10 -15 до 1 x 10 -14 метр
- нейтрон или протон = 1 x 10 -15 метр
- электрон — точно неизвестно, но предполагается, что порядка 1 x 10 -18 метр
Вы не можете увидеть атом в световой микроскоп. Однако в 1981 году был разработан тип микроскопа, названный сканирующим туннельным микроскопом (СТМ) . СТМ состоит из следующих компонентов:
Реклама
- Очень маленький острый наконечник, проводящий электричество ( зонд )
- Быстрое пьезоэлектрическое сканирующее устройство, к которому прикреплен наконечник
- Электронные компоненты для подачи тока на наконечник , управлять сканером и принимать сигналы от датчика движения
- Компьютер для управления системой и анализа данных (сбор данных, обработка, отображение)
СТМ работает следующим образом:
- На наконечник (зонд) подается ток, пока сканер быстро перемещает наконечник по поверхность проводящего образца.
- Когда игла сталкивается с атомом, поток электронов между атомом и иглой изменяется.
- Компьютер регистрирует изменение тока с помощью x,y-положения атома.
- Сканер продолжает позиционировать наконечник над каждой точкой x,y на поверхности образца, регистрируя ток для каждой точки.
- Компьютер собирает данные и строит карту тока по поверхности, которая соответствует карте положения атомов.
Процесс очень похож на старый фонограф, где игла — это кончик, а канавки на виниловой пластинке — это атомы. Наконечник СТМ перемещается по атомному контуру поверхности, используя туннелирующий ток в качестве чувствительного детектора положения атомов.
СТМ и новые модификации этого микроскопа позволяют нам видеть атомы. Кроме того, СТМ можно использовать для манипулирования атомами, как показано здесь:
«»
Атомы можно размещать на поверхности с помощью наконечника СТМ, создавая на поверхности пользовательский узор.
Фото предоставлено NIST Источник фото: IBM Almaden Research Labs
Атомы можно перемещать и формовать для создания различных устройств, таких как молекулярные двигатели (подробности см.
в разделе «Как будут работать нанотехнологии»).
Таким образом, наука 20-го века раскрыла структуру атома. В настоящее время ученые проводят эксперименты, чтобы выявить детали структуры ядра и сил, удерживающих его вместе.
Связанные статьи HowStuffWorks
Другие полезные ссылки
- Семейство атомов: Фотосалон Призрака — занятия об атомах для 6–12 классов
- Выставка Американского института физики: Взгляд внутрь атома
- Все об атомах
- Анатомия атома
- Путешествие в атом — узнайте о физике атома и элементарных частиц
- Американский институт физики. Химия
- Биологический проект: Учебное пособие по химии: основы химии для понимания биологии
Периодическая таблица
- Chemical Elements.com: онлайн, интерактивная Периодическая таблица элементов
- Периодическая таблица в картинках
Орбитали
- Учебное пособие по орбитам — мультимедиа ударно-волновая анимация
Модели атомов
- Physics 2000: Quantum Atom Tutorial — отличные демонстрации Java-апплета; используйте оглавление, чтобы увидеть элементы как атомы, а также периодическую таблицу
Квантовая теория
- Квантовая теория
- Общая химия онлайн: Квантовая теория
Сканирующая туннельная микроскопия
- Атомно-силовая микроскопия
- IBM: Сканирующая туннельная микроскопия
- Изображения сканирующего туннельного микроскопа
- Сканирующий туннельный микроскоп – что это такое и как он работает
- Азбука ядерной науки
Процитируйте это!
Пожалуйста, скопируйте/вставьте следующий текст, чтобы правильно цитировать эту статью HowStuffWorks.
