Мы знаем, что все вокруг состоит из крошечных частиц, молекул, которые, в свою очередь, состоят из еще более маленьких «кирпичиков» — атомов. Атомы тоже можно разделить на еще более мелкие составляющие — электроны, которые пока что считаются неделимыми, а также протоны и нейтроны, состоящие из кварков. В общем, наш мир устроен по принципу матрешки. Но есть ли какие-то подтверждения этому? Можно ли, к примеру, увидеть и сфотографировать атом?
Атомы настолько малы, что увидеть их в обычный оптический микроскоп невозможно. Ведь в подобных устройствах принцип действия таков: лучи света падают на какой-то объект, отражаются от него, проходят через увеличивающую линзу и попадают в глаз наблюдателя. Но с атомами такой номер не пройдет, и виновата в этом волновая природа света — из-за нее принципиально невозможно различить объект, размер которого меньше половины длины волны излучения (это явление называется дифракционным пределом). Атомы же в тысячи раз меньше.
И все же атомы можно «увидеть», хоть и не в прямом смысле этого слова — скорее в значении «зафиксировать». Сделать это можно, например, с помощью электронных микроскопов — они позволяют создать качественную и достаточно правдоподобную визуализацию атома, хоть и не раскрывают в полной мере его структуру. Фотографиями такие изображения можно назвать лишь условно.
В электронных микроскопах световой поток заменяется пучком электронов, которые, как и кванты света, могут вести себя и как частицы, и как волны. И если разогнать поток электронов до огромной скорости — он превратится в волну, длина которой меньше размера атома. Электроны пройдут через атом, «сохранят» данные о его структуре, а затем передадут их компьютеру. Так можно получить изображения отдельных атомов — картинки получаются довольно размытыми, но все же наглядными.
Более точное изображение атома можно получить с помощью другого устройства — сканирующего зондового микроскопа. Этот прибор устроен принципиально иначе — он ничего не освещает, как оптический или электронный микроскоп, а фактически ощупывает объекты.
Сканирующий микроскоп оснащен особой конструкцией, которая движется по объекту и зондирует рельеф его поверхности. В туннельном микроскопе эту функцию выполняет металлическая игла с острием толщиной всего в несколько атомов, в атомно-силовом микроскопе — специальная упругая консоль, а в ближнепольном оптическом микроскопе — миниатюрная диафрагма. Данные передаются компьютеру, который воссоздает изображение.
Интересно, что сканирующий микроскоп может не только прощупывать атомы, но и манипулировать ими, перемещая в пространстве. Уже сейчас ученые могут писать слова, а также создавать целые изображения и даже анимации из отдельных атомов.
Подписывайтесь на канал — здесь много интересных статей о науке, открытиях и новых технологиях!