Vi vet mycket väl att alla ämnen är sammansatta av atomer - det här är den minsta möjliga mängden av ett kemiskt element. Ordet "atom" kommer från det grekiska ordet "ἄτομος", som bokstavligen översätter från antikgrekiskt som "odelbar" - något som inte längre kan delas. Senare visade det sig dock att atomer inte alls är odelbara utan består av en kärna och elektroner som kretsar kring den. Men det visade sig att detta inte är gränsen …
Snart upptäcktes andra elementära beståndsdelar som kvarkar, till och med ifrågasatte elektronernas integritet, som antagligen kunde delas upp i holoner, spinoner och orbiton.
Matens "första tegelstenar" är så små att slutsatserna om deras existens gjordes indirekt - genom olika experiment och matematiska beräkningar, men det skulle vara väldigt coolt om vi kunde se dem med våra egna ögon, eftersom vi ser mikroorganismer i en droppe vatten under ett mikroskop. Men varför inte? Det verkar som om du bara behöver ta ett kraftfullare mikroskop och du kan undersöka vad som helst. Oavsett, oavsett hur kraftfullt ett optiskt mikroskop är, kan du inte få en bild av inte bara en atom utan också en molekyl.
För att se ett föremål måste det belysas med en ljusstråle, och ljuset måste reflekteras från dess olika delar och träffa näthinnan. Det är emellertid omöjligt att belysa en viss atom på grund av vägen för interaktion mellan fotoner och en atom. De flesta av fotonerna kommer helt enkelt att flyga igenom atomen, och om någon foton reflekteras tillbaka i mikroskopokularet, kommer det uppenbarligen inte att räcka. I allmänhet har det synliga ljuset som används i optiska mikroskop en våglängd i storleksordningen 400-700 nanometer, medan storleken på en atom är cirka 0,1 nanometer, så det är helt enkelt meningslöst att belysa atomen med den.
Men vad händer om vi istället för synligt ljus använder något annat, till exempel gammastrålning eller en riktad elektronstråle, som under vissa förhållanden kan bete sig som en våg med en längd som är jämförbar med storleken på elementära partiklar? Det vill säga, kan en atom ses genom ett elektronmikroskop?
Ja och nej. Ja, eftersom fotografier av atomer verkligen existerar, nej - eftersom den resulterande bilden inte så mycket återspeglar atomens verkliga utseende eftersom det skapar en tillgänglig visualisering. Fotografier av atomer tagna av även de mest kraftfulla och exakta elektronmikroskopna avslöjar emellertid inte deras struktur.
Bilden visar svavelatomerna och platsen där en atom saknas. (c) David A. Muller et al. Naturen, 2018.
Först är det mesta av atomen tomt utrymme. Avstånden mellan kärnan och elektronerna i en skala är så stora att om du förstorar kärnan till ett äpples storlek så kommer elektronerna att kretsa runt den i en bana med en radie på ungefär en kilometer. Detta betyder att partiklarna som utgör en atom helt enkelt inte skulle passa in i synfältet.
Kampanjvideo:
För det andra hindrar Heisenbergs osäkerhetsprincip oss från att överväga detaljerna. Platsen för elektronen i atomen bestäms som troligt, vid någon tidpunkt kan den vara på en eller annan plats. Därför, på de erhållna fotografierna, ses atomerna som suddiga kulor-moln bildade av den snabbt föränderliga banan av elektroner.
Och slutligen en rolig video från IBM "The Boy and His Atom". Ingenjörer hos IBM använde ett skannat tunnelmikroskop för att flytta kolmonoxidmolekyler (två atomer staplade ovanpå varandra). Tack vare detta var det möjligt att ta en video med så små föremål att de bara kan ses med en förstoring av 100 miljoner gånger.
