Можно ли «видеть» атомы?

Это полностью зависит от того, что вы подразумеваете под «видеть». Позвольте мне начать с того, что отметим:

Насколько мне известно, атомы настолько малы, что мы даже не можем себе представить.

Нет. Атомы довольно большие по сравнению с некоторыми другими вещами, с которыми мы играем, например, с их составляющими (протонами, электронами) в ускорителях частиц. Размер атомов порядка 0,1 нанометра (конечно, есть разброс в размерах , но я пока не буду заморачиваться). Нанометр это$10^{-9}$метров. Протоны, например, намного меньше, а атомы в некотором смысле настолько велики, что мы уже более ста лет знаем , что они не являются неделимыми, потому что мы видели в экспериментах, что это не так.

Можем ли мы «видеть» атомы? Это зависит, как я уже намекнул, что вы подразумеваете под «видеть». Если вы имеете в виду «сделать снимок в видимом свете», то вы не можете этого сделать. В микроскопии существует эмпирическое правило: мельчайшие объекты, которые вы можете различить с помощью идеально спроектированного микроскопа, должны иметь размер примерно в половину длины волны света, который вы в него направляете. Более точная версия этого известна как предел дифракции Аббе . Видимый свет имеет длину волны около 400-700 нанометров. Это, конечно, примерно в 4000-7000 раз больше диаметра атома, поэтому мы действительно не можем увидеть атом с помощью (дифракционного) микроскопа, использующего свет. [Как предложено в комментариях, существует ряд способов обойти дифракционный предел Аббе.с использованием, частично, методов, очень отличных от обычной микроскопии. Однако кажется, что разрешение атомов еще не достигнуто.]

Но помимо света мы можем использовать и другие вещи. Мы могли бы, например, использовать электроны вместо света. Квантовая механика говорит нам, что электроны, как свет и все остальное, имеют длину волны . Конечно, такой микроскоп выглядит немного иначе, чем световой микроскоп, потому что у людей нет хорошего механизма обнаружения электронов. Это означает, что для того, чтобы сделать изображение из преломленных и дифрагированных электронов, нам нужно использовать электронные датчики, а затем воссоздать изображение. Этот тип микроскопа, который я только что описал, является более или менее трансмиссионным электронным микроскопом (ПЭМ) , и они существуют уже давно. Сегодня такие типы микроскопов имеют разрешение около 0,05 нм .(иногда упоминается, что обычные TEMS имеют разрешение примерно в 1000 раз лучше, чем разрешение световых микроскопов, но с помощью некоторых методов коррекции можно достичь разрешения 0,05 нм и, возможно, ниже ). Этого достаточно, чтобы увидеть атом (см. здесь раннее изображение, другой ответ содержит лучшие и более свежие изображения), но, вероятно, этого недостаточно, чтобы увидеть изображение, на которое вы ссылаетесь, с немного лучшим разрешением.

[Примечание: несколько лет назад для получения такого изображения вам определенно был нужен микроскоп, о котором я расскажу в следующем разделе, сегодня вы можете получить его и с помощью ПЭМ. Другими словами: сегодня вы можете «увидеть» атомы с электронами.]

Итак, как мы получили это:

Но в Википедии есть изображение, на котором видны атомы кремния, наблюдаемые на поверхности кристаллов карбида кремния.

Мы должны использовать другой тип электронного микроскопа, сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) .. Хотя ПЭМ работает в основном так же, как световой микроскоп, в СТМ используются другие концепции. Следовательно, оно еще более удалено от того, что вы обычно называете «видением». Я не буду подробно описывать, как это работает, но микроскоп состоит из небольшого наконечника, на который подается напряжение, и он измеряет туннелирование электронов в зонд, тем самым измеряя расстояние до зонда. Затем пик перемещается по поверхности вашего материала и измеряет расстояние от материала до наконечника во многих точках, а затем строит топографическое изображение зонда. Таким образом, он измеряет плотность электронов вокруг атома и тем самым, как мы это понимаем, размер атома. При этом любой разумный СТМ может получить разрешение около 0,1 нм, а хорошие СТМ намного лучше.

И вот, наконец, то, как мы можем видеть атомы.

Заявление Мартина выше:

Можем ли мы «видеть» атомы? Это зависит, как я уже намекнул, что вы подразумеваете под «видеть». Если вы имеете в виду «сделать снимок в видимом свете», то вы не можете этого сделать.

на самом деле не совсем так. Можно делать изображения , используя видимый свет, которые показывают отдельные атомы. Вот пример:

(1)

Причина, по которой это работает, заключается в том, что это система, в которой атомы очень разрежены, гораздо больше, чем в обычном твердом теле, и ограничены дискретными участками двумерного листа. Кроме того, для получения изображения используется свет с длиной волны 780 нм, который резонирует с электронным переходом в этих атомах и, следовательно, очень сильно рассеивается. Атомы очень тусклые (это изображение, вероятно, имело время экспозиции около секунды с помощью высококачественного ПЗС-сенсора), и для получения необходимого увеличения требуется очень хорошая установка микроскопа, но на самом деле это изображение атомов, использующих те же принципы, что и любое изображение клетки, полученное с помощью оптического микроскопа.

edit: я должен подчеркнуть, однако, что, как и почти все научные изображения, это изображение в ложном цвете с произвольно выбранным зеленым оттенком. Таким образом, чтобы быть более верным тому, что можно увидеть на самом деле, цветовая шкала должна вместо этого быть красноватым цветом света с длиной волны 780 нм, который освещает атомы.

Это изображение нанокристалла Sc2O3, полученное с помощью сканирующего просвечивающего электронного микроскопа с коррекцией аберраций.

Левое изображение записано путем измерения только электронов, которые были согнуты/отклонены при прохождении через материал (в этом случае мы не очень хорошо видим атомы кислорода)

На изображении справа измеряются все электроны, проходящие через материал. (В этом случае мы довольно ясно видим столбцы кислорода и скандия, которые в данном случае представляют собой столбцы из 5 атомов или около того)

В этом случае мы видим столбцы атомов, но томографические STEM существуют и могут воспроизводить трехмерное расположение отдельных атомов в материале.

STEM работают, отправляя электроны в образец и записывая, как эти электроны рассеиваются, поглощаются или передаются, полностью аналогично тому, как работают световые микроскопы, только электроны имеют НАМНОГО меньшую длину волны, чем свет.

Мы не можем видеть атомы с помощью света, потому что атомы намного меньше длины волны света.

Но у электронов гораздо меньшая длина волны, что позволяет нам исследовать гораздо меньшие детали, чем мог бы позволить свет.

Это изображение имеет разрешение около 70 пикометров (0,07 нм), а атомы имеют «диаметр» примерно 0,1 нм ... 10 ^ (-10) метров. Разрешения более чем достаточно, чтобы увидеть атомы

Вопреки предыдущему ответу, мы можем очень хорошо отображать атомы с помощью STEM и TEM.

Кроме того, современные STEM могут химически идентифицировать атомы на основе того, как электронный луч отклоняется от образца.

Больше электронов в атомах => большее отклонение.

Таким образом, мы можем не только видеть атомы, но и изучать их химические и физические свойства, глядя на них!

Ниже представлено изображение нанокристалла Nd3+:Sc2O3. Более яркие точки соответствуют атомам Nd (из-за их гораздо большего количества электронов).

Дэвид Б. Уильямс и еще 1 трансмиссионная электронная микроскопия: учебник по материаловедению (набор из 4 томов)

Это очень тщательный и полный источник информации обо всем, что связано с электронной микроскопией.

Изображения, записанные с помощью JOEL ARM200F и пространства Фурье, отфильтрованы и проанализированы с помощью gatan.