Со школьного возраста мы знаем, что все окружающие нас тела состоят из атомов, но нам не показывали никаких фотографий. Мы не видели в микроскоп атом, лишь разглядывали рисунок.
А ведь и вправду, можно ли увидеть атомы по отдельности и убедиться в их существовании? Можно!
Человеческий глаз может увидеть объекты размером не менее 0,05 мм, но атомы намного меньше. 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. Почему? Самый простой тип микроскопов - это оптический.
Для того, чтобы увидеть какой-то объект, его необходимо осветить, и в этом типе микроскопов для этого используются обычное 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. Пытаться увидеть атомы в оптический микроскоп - это тоже 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 двухсот нанометров. И для того, чтобы преодолеть это ограничение, необходимо освещать объект чем-то другим.
В электронном микроскопе образец освещается потоком электронов.
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, и если разогнать его до очень большой скорости, то его длина волны будет в 1000 раз меньше, чем у видимого света. Получается что, дифракционный пределы электронного микроскопа может быть меньше размеров атомов, что позволяет их увидеть по отдельности.
Действительно, электронный микроскоп можно давать изображение отдельных молекул, атомов, что является неопровержимым доказательством их существования. Электронного микроскоп вообще интересная вещь, особенно растовые.
В них пучок электронов сканирует поверхность и благодаря тому, что он очень тоненький, сохраняется феноменальную 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, работает он по следующему принципу. Это очень маленькая игла, которая движется вдоль поверхности объекта, причём кончик иглы очень острый, на нём всего лишь несколько атомов. Игла взаимодействует практически с отдельными атомами вещества, это считывается сенсорами экранами и, компьютерными методами, восстанавливается рельеф поверхности. То есть, по сути, он не смотрит, а ощупывает поверхность с феноменальной точностью.
И есть разные типы таких микроскопов. В одних рассчитывается сила тока, протекающего между иглой и образцом, в других измеряется сила притяжения или отталкивания иглы от образца. Есть даже такие, в которых вместо иглы используются световод и маленькое отверстие. В них регистрируется отраженный свет и возможно преодоление дифракционного предела.
С помощью зондовых микроскопов можно увидеть не только отдельные атомы, но и даже формы электронных облаков, настолько они чувствительны. Более того, их можно использовать не совсем по прямому назначению и перемещать отдельные атомы. Достаточно приложить повышенное напряжение к игле, атом, можно сказать, «прилипает» к ней и его можно переносить на другое место. Вы только представьте, уже сейчас ученые могут писать слова и даже создавать мультики из отдельных атомов.
Конечно же эта, технология работает на наномасштабах, но в будущем, возможно, мы сможем создавать из отдельных атомов абсолютно что угодно.