Как выглядит атом под микроскопом: удивительные фотографии
Невероятно, но факт - теперь мы можем увидеть самые маленькие частицы во Вселенной невооруженным глазом! Благодаря прорывам в микроскопии, ученые смогли сделать потрясающие снимки отдельных атомов. Эти изображения выглядят как инопланетные ландшафты и фантастические планеты. В этой статье мы рассмотрим удивительные фотографии атомов и узнаем, как выглядит самое маленькое в мире.
История открытия атома
Концепция атома как мельчайшей неделимой частицы материи восходит еще к древнегреческим философам Левкиппу и Демокриту в V веке до нашей эры. Однако экспериментально подтвердить существование атомов удалось лишь в XIX веке благодаря работам Джона Дальтона и других химиков по изучению газов и веществ.
Атом (от др.-греч. ἄτομος «неделимый[1], неразрезаемый[2]») — частица вещества микроскопических размеров и массы, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его химических свойств[1][3].
В конце XIX века были открыты составные части атома - электроны (джозеф Джон Томсон, 1897), протоны и нейтроны (Эрнест Резерфорд, 1920-е). Это заставило пересмотреть представление об атоме как о "неделимой частице".
Важный вклад в понимание квантовой природы атома внесли Альберт Эйнштейн и Нильс Бор в первой половине XX века. Они разработали теории, объясняющие дискретные энергетические состояния электронов в атоме и их переходы между этими уровнями с испусканием или поглощением света.
Как устроен атом
Согласно современным представлениям, атом состоит из микроскопического ядра и электронного облака вокруг него. Ядро, в свою очередь, состоит из протонов и нейтронов, связанных между собой сильным ядерным взаимодействием.
- Протоны имеют положительный заряд, равный заряду электрона по модулю.
- Нейтроны не имеют электрического заряда.
- Масса протона в 1836 раз больше массы электрона.
- Масса нейтрона в 1839 раз больше массы электрона.
Таким образом, основная масса атома (>99,9%) сосредоточена в ядре. Электроны же имеют очень малую массу и создают электронное облако вокруг ядра. Число электронов в нейтральном атоме равно числу протонов в ядре. Именно электроны определяют размер атома и его химические свойства.
Согласно квантовой механике, электроны не движутся по строго определенным орбитам, а находятся в вероятностном электронном облаке с возможностью переходов между разрешенными энергетическими уровнями. При получении дополнительной энергии от фотона или другой частицы электрон может перейти на более высокий энергетический уровень, а затем испустить фотон и вернуться на прежний или другой более низкий уровень.
Такие переходы между квантовыми уровнями и лежат в основе спектрального анализа веществ и их визуализации. К примеру, в сканирующем туннельном микроскопе регистрируется туннельный ток между острием зонда и поверхностью образца при их приближении на расстояния порядка диаметра атома. Это позволяет с высокой точностью определить положение отдельных атомов на поверхности.
Методы наблюдения атомов
Основная проблема при наблюдении отдельных атомов заключается в их микроскопических размерах, значительно меньших длины волны видимого света. Из-за дифракционного предела оптические микроскопы не способны различить детали размером менее 200-500 нанометров. А диаметр атома составляет всего около 0,1-0,5 нанометров!
Поэтому для прямой визуализации атомной структуры поверхности твердых тел используются такие методы, как сканирующая туннельная микроскопия (СТМ), атомно-силовая микроскопия (АСМ) и некоторые другие. В них регистрируются физические взаимодействия острия зонда с отдельными атомами поверхности.
| Оптический микроскоп | Ограничен дифракцией света, разрешение ~200-500 нм |
| Электронный микроскоп | Использует электронные пучки в вакууме, разрешение ~0,1 нм |
| Сканирующий туннельный микроскоп | Регистрирует туннельный ток между зондом и поверхностью, разрешение ~0,01 нм |
| Атомно-силовой микроскоп | Регистрирует атомные силы между зондом и поверхностью, разрешение ~0,01 нм |
«Как выглядит атом» под микроскопом? Благодаря этим уникальным методам мы можем непосредственно увидеть расположение отдельных атомов, их ядер и электронных облаков. При сканировании поверхности острием зонд фиксирует наличие каждого атома в виде характерного возвышения или углубления.
Фотографии атомов
«Как выглядит атом» на самом деле? Рассмотрим удивительные фотографии атомов, полученные с помощью сканирующей туннельной микроскопии и других методов атомно-силовой микроскопии.
- Атомы инертных газов (гелий, неон, аргон) имеют правильную сферическую форму благодаря замкнутой электронной оболочке.
- Атомы металлов (золото, медь, железо) напоминают неровные шарики или капли жидкости из-за подвижности валентных электронов.
- Атомы полупроводников (кремний, германий, арсенид галлия) имеют более вытянутую и правильную форму.
Помимо формы, на изображениях заметна разница в размерах атомов разных элементов. Самые маленькие атомы у благородных газов, а самые большие - у тяжелых металлов внизу периодической таблицы.
Динамика отдельных атомов
Сканирующая микроскопия позволяет не только получать мгновенные снимки атомов, но и следить за их движением в реальном времени. На видеозаписях видно, как атомы колеблются около равновесных положений, сталкиваются друг с другом, образуют химические связи.
Особенно наглядна динамика атомов на поверхности металлов. Подвижные валентные электроны как бы "омывают" положительно заряженные ионы кристаллической решетки металла. При этом атомы металлов постоянно незначительно смещаются относительно друг друга.
Атомы в химических соединениях
Химические свойства веществ определяются типами химических связей между атомами в молекулах и кристаллических решетках. «Как выглядит» атом внутри таких соединений? Рассмотрим несколько примеров.
- Атомы галогенов (фтор, хлор, бром) образуют прочные одинарные связи с атомами металлов в ионных соединениях.
- Атом углерода способен образовывать 4 ковалентные связи с другими атомами углерода в алмазе и графите.
- Водородные связи удерживают молекулы воды в жидком агрегатном состоянии.
Чем прочнее связь, тем меньше подвижность атомов внутри вещества. А наиболее сильно связаны атомы в твердых кристаллических решетках.
Атомная сборка наноструктур
Управляя острием сканирующего микроскопа, ученые могут не только наблюдать, но и перемещать отдельные атомы по поверхности. Это открывает уникальные возможности для атомарного конструирования наноразмерных структур.
Например, исследователи из IBM еще в 1990 году выложили атомами ксенона надпись из 35 атомов: «АТОМ» и «IBM». В дальнейшем удавалось создавать гораздо более сложные наноконструкции, вплоть до миниатюрных зубчатых колес и электрических цепей!
Перспективы атомарной сборки
Возможности атомарного конструирования наноустройств выглядят поистине фантастическими. Ученые предсказывают появление молекулярных заводов, где отдельные атомы и молекулы будут выстраиваться в заданные наноструктуры.
Однако на пути внедрения подобных технологий пока стоит много трудностей. Во-первых, процесс атомной сборки очень медленный - порядка нескольких атомов в секунду. Во-вторых, она возможна пока только в условиях ультравысокого вакуума и очень низких температур.
Тем не менее, перспективы колоссальны. Атомная инженерия открывает принципиально новые возможности в области наноэлектроники, медицины, вычислительной техники. Многие концептуальные разработки в этом направлении уже ведутся.
Философские аспекты
Наблюдение отдельных атомов и манипулирование ими в корне меняет наше философское мировоззрение. Мы наблюдаем и трогаем самые фундаментальные «кирпичики», из которых состоит весь окружающий мир!
При этом понятия «твердого» и «пустого» пространства становятся весьма условными. На уровне отдельных атомов материя предстает в виде разреженного вероятностного облака элементарных частиц.
Атомы и повседневная жизнь
Знания об атомно-молекулярном строении вещества применяются человечеством на практике уже довольно давно, особенно в химии, металлургии, машиностроении. Но современные открытия выводят нас на качественно новый уровень.
Управление отдельными атомами открывает фантастические перспективы в медицине, биотехнологиях, вычислительной технике. Можно конструировать сверхмалые датчики для вживления в организм, создавать новые сверхпрочные материалы, проектировать компьютеры нового поколения.
Управление атомами
Таким образом, благодаря последним достижениям в области нанотехнологий и микроскопии высокого разрешения, человечество вплотную подошло к реализации мечты об управлении атомами. Это качественно меняет наше мировосприятие и открывает поистине безграничные перспективы развития.