Мы хорошо знаем, что все вещества состоят из атомов — это наименьшее возможное количество любого химического элемента. Слово «атом» происходит от греческого слова «ἄτομος», которое с древнегреческого буквально переводится как «неделимый» — нечто, что больше нельзя разделить. Позже, однако, выяснилось, что атомы вовсе не неделимы, а состоят из ядра и вращающихся вокруг него электронов. Но оказалось, что и это не предел….
Вскоре были открыты и другие элементарные составные частицы вроде кварков, под сомнение была поставлена даже цельность электронов, которые предположительно могут быть расщеплены на холоны, спиноны и орбитоны.
«Первокирпичики» материи настолько малы, что выводы об их существовании были сделаны опосредовано — путем различных экспериментов и математических расчетов, но было бы очень здорово, если бы мы могли увидеть их воочию, как видим микроорганизмы в капле воды под микроскопом. Впрочем, почему бы и нет? Казалось бы, просто нужно взять микроскоп помощнее и можно рассматривать всё что угодно. Увы, но каким бы мощным ни был оптический микроскоп, вы не сможете получить с его помощью картинку не только атома, но и молекулы.
Чтобы увидеть какой-либо объект, его нужно осветить пучком света, причем свет должен отразиться от его разных частей и попасть на сетчатку глаза. Однако осветить определенный атом нельзя по причине самого способа взаимодействия фотонов с атомом. Большая часть фотонов просто пролетит сквозь атом, а если какой фотон и отразится обратно в окуляр микроскопа, то этого будет явно недостаточно. И вообще, используемый в оптических микроскопах видимый свет имеет длину волны порядка 400-700 нанометров, размер же атома составляет примерно 0,1 нанометра, поэтому освещать им атом просто бессмысленно.
Но что, если вместо видимого света использовать что-то другое, например, гамма-излучение или направленный пучок электронов, который при определенных условиях может вести себя как волна с длиной, сопоставимой с размерами элементарных частиц? То есть можно ли увидеть атом в электронный микроскоп?
И да, и нет. Да, потому что фотографии атомов действительно существуют, нет — потому что полученное изображение не столько отражает истинный внешний вид атома, сколько создает доступную для восприятия визуализацию. Впрочем, сделанные даже самыми мощными и точными электронными микроскопами фотографии атомов не раскрывают их строения.
Во-первых, большая часть атома — это пустое пространство. Расстояния между ядром и электронами в масштабе настолько огромны, что если увеличить ядро до размера яблока, то электроны будут вращаться вокруг него по орбите с радиусом около километра. Это значит, что составляющие атома частицы попросту не вместились бы в поле зрения.
Во-вторых, рассмотреть детали нам мешает принцип неопределенности Гейзенберга. Место расположения электрона в атоме определяется как вероятное, в какой-то миг времени он может находиться то в одном, то в другом месте. Поэтому на полученных фотографиях атомы видятся как размытые шарики-облачка, образованные стремительно меняющейся орбитой электронов.
Ну и наконец, забавное видео от IBM «Мальчик и его атом». Инженеры из компании IBM использовали сканирующий туннельный микроскоп для перемещения молекул монооксида углерода (двух атомов, расположенных друг на друге). Благодаря этому удалось снять ролик с настолько маленькими объектами, что их можно увидеть только при увеличении в 100 миллионов раз.
Свежие комментарии