Ние много добре знаем, че всички вещества са съставени от атоми - това е най-малкото възможно количество от всеки химичен елемент. Думата "атом" идва от гръцката дума "ἄτομος", която буквално се превежда от древногръцки като "неделим" - нещо, което вече не може да бъде разделено. По-късно обаче се оказа, че атомите изобщо не са неделими, а се състоят от ядро и електрони, въртящи се около него. Но се оказа, че това не е границата….
Скоро бяха открити и други елементарни съставни частици като кварки, дори целостта на електроните, която може да се раздели на холони, спинони и орбитони, беше поставена под въпрос.
„Първите тухли“на материята са толкова малки, че заключенията за тяхното съществуване са направени косвено - чрез различни експерименти и математически изчисления, но би било много готино, ако ги видяхме със собствените си очи, както виждаме микроорганизми в капка вода под микроскоп. Защо обаче не? Изглежда, че просто трябва да вземете по-мощен микроскоп и можете да изследвате всичко. Уви, колкото и мощен оптичен микроскоп, не можете да получите с него картина не само на атом, но и на молекула.
За да видите предмет, той трябва да бъде осветен с лъч светлина, а светлината трябва да се отразява от различните му части и да се удари в ретината. Въпреки това е невъзможно да се освети определен атом поради самия начин на взаимодействие на фотоните с атом. Повечето от фотоните просто ще летят през атома и ако някакъв фотон бъде отразен обратно в окуляра на микроскопа, тогава това очевидно няма да е достатъчно. По принцип видимата светлина, използвана в оптичните микроскопи, има дължина на вълната от порядъка на 400-700 нанометра, докато размерът на атом е около 0,1 нанометър, така че е просто безсмислено осветяването на атома с него.
Но какво, ако вместо видима светлина използваме нещо друго, например гама-лъчение или насочен електронен лъч, който при определени условия може да се държи като вълна с дължина, сравнима с размера на елементарните частици? Тоест може ли да се види атом чрез електронен микроскоп?
Да и не. Да, защото фотографиите на атоми наистина съществуват, не - защото полученото изображение не отразява толкова много истинския вид на атома, колкото създава достъпна визуализация. Снимките на атомите, направени дори от най-мощните и точни електронни микроскопи, не разкриват тяхната структура.
Снимката показва сярните атоми и мястото, където липсва един атом. (c) Дейвид А. Мюлер и др. Природа, 2018г.
Първо, по-голямата част от атома е празно пространство. Разстоянията между ядрото и електроните в скала са толкова огромни, че ако увеличите ядрото до размера на ябълка, тогава електроните ще се въртят около него в орбита с радиус около километър. Това означава, че частиците, които образуват атом, просто не биха се вписали в зрителното поле.
Промоционално видео:
Второ, принципът на несигурността на Хайзенберг ни пречи да разгледаме подробностите. Местоположението на електрона в атома се определя като вероятно, в определен момент той може да бъде на едно или друго място. Следователно на получените фотографии атомите се виждат като замъглени топки-облаци, образувани от бързо променящата се орбита на електрони.
И накрая, едно забавно видео от IBM "Момчето и неговият атом". Инженерите в IBM използваха сканиращ тунелен микроскоп за преместване на молекули въглероден оксид (два атома, подредени един върху друг). Благодарение на това беше възможно да се заснеме видео с толкова малки обекти, че да могат да се видят само при увеличение 100 милиона пъти.
