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 и мы просто этому поверили.
Лишь на картинка, подобно этой, изображались атомы в учебниках.
И вправду, можно ли увидеть атомы по отдельности и убедиться в их существовании?
Можно. Давайте попробуем разобраться. 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.
Самый простой тип микроскопов - это оптический.
Для того, чтобы увидеть какой-то объект, его необходимо осветить, и в этом типе микроскопов для этого используется 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 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. И если разогнать его до очень большой скорости, то его длина волны будет в тысячу раз меньше, чем у видимого света. Получается, что дифракционный предел электронного микроскопа может быть меньше, чем размер атома, что позволяет их увидеть по отдельности.
Действительно электронный микроскоп может давать изображение отдельно молекул и атомов, что является не опровержимым доказательством их существования.
В растровых электронных микроскопах 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 способ увидеть атом - это сканирующий зондовый микроскоп.
В него тоже можно увидеть отдельные атомы, ведь работает он по следующему принципу - это очень маленькая-маленькая игла, которая движется вдоль поверхности объекта, причем кончик иглы очень острый и 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 световод и маленькое отверстие, в них регистрируется отраженный свет и невозможное 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, а так же перемещать отдельные атомы. Достаточно приложить повышенное напряжение к игле и атом, грубо говоря, прилипают 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 нано масштабах, но в будущем, возможно, мы сможем создавать из отдельных атомов абсолютно любого монстра.
Если подумать об этом, то можно сделать много полезного, обладая данными знаниями.
Всем спасибо за внимание, всего доброго.
