Атомы под электронным микроскопом. Атомы. Электронный микроскоп, различающий отдельные атомы, появился в Британской Национальной лаборатории SuperSTEM

На данной фотографии вы смотрите на первое прямое изображение орбит электрона вокруг атома — фактически волновую функцию атома!

Для получения фотографии орбитальной структуры атома водорода, исследователи использовали новейший квантовой микроскоп — невероятное устройство, которое позволяет ученым заглянуть в область квантовой физики.

Орбитальная структура пространства в атоме занята электроном. Но при описании этих микроскопических свойств материи, ученые полагаются на волновые функции — математические способы описания квантовых состояний частиц, а именно того, как они ведут себя в пространстве и во времени.

Как правило, в квантовой физике используют формулы типа уравнения Шредингера для описания состояний частиц.

Препятствия на пути исследователей

До сегодняшнего момента, ученые фактически никогда не наблюдали волновую функцию. Попытка уловить точное положение или импульс одинокого электрона было сродни попытке поймать рой мух. Прямые наблюдения искажались весьма неприятным явлением — квантовой когерентностью.

Чтобы измерить все квантовые состояния нужен инструмент, который может проводить множество измерений состояний частицы с течением времени.

Но как увеличить и так микроскопическое состояние квантовой частицы? Ответ нашла группа международных исследователей. С помощью квантового микроскопа — устройства, которое использует фотоионизацию для прямых наблюдений атомных структур.

В своей статье в популярном журнале Physical Review Letters, Aneta Stodolna работающая в институте молекулярной физики (AMOLF) в Нидерландах рассказывает, как она и ее команда получили структуры узловых электронных орбиталей атома водорода помещенных в статическом электрическом поле.

Методика работы

После облучения лазерными импульсами, ионизированные электроны покидали свои орбиты и по измеренной траектории попадали в 2D детектор (двойная микроканальная пластина . Детектор расположен перпендикулярно к самому полю). Существует множество траекторий, по которым могут перемещаться электронов до столкновения с детектором. Это обеспечивает исследователей набором интерференционных картин, — моделей которые отражают узловую структуру волновой функции.
Исследователи использовали электростатическую линзу, которая увеличивает исходящую волну электронов более чем в 20000 раз.

Атомы совсем крошечные, очень и очень маленькие. Вы наверняка знаете, что материя состоит из них, но вы никогда их не видели и не увидите, потому что атом невозможно разглядеть невооруженным (и даже иногда хорошо вооруженным) глазом. Стоит ли принимать на слово то, что все в нашем мире построено из этих крошечных «кирпичиков»?

Стоит. Даже самые скептически настроенные люди не смогут усомниться в существующих доказательствах. Так как же ученые открыли для науки атомы? И, что гораздо важнее, как они смогли доказать существование этих крошечных частиц?

В чем сложность?

Казалось бы, что проще, чем рассмотреть атомы в микроскоп. Но не все так элементарно, как сами частицы. Даже самый мощный микроскоп не в состоянии различить отдельный атом. Все потому, что размер атома гораздо меньше размера световой волны, и свет просто не может отражаться от крохотных частиц, тем самым превращая их в невидимые даже вооруженному глазу.

История открытия

Еще в конце XVIII века ученые стали замечать необъяснимое явление - ничем не обусловленное движение мелких частиц, например мельчайшей пыли над поверхностью воды. В середине XIX века шотландский ботаник Роберт Броун провел ряд экспериментов, в ходе которых он наблюдал движение мельчайших частиц каменной пыли. Через десятки лет частная теория относительности Эйнштейна путем математической формулы объяснила то, что в физике до тех пор называлось «броуновское движение».

К 1908 году все эксперименты, наблюдения и математические расчеты сводились к тому, что атомы реальны, и именно из них состоит любая окружающая нас материя. Однако не прошло и десятилетия, как наука ступила еще дальше и заставила ученых задуматься над тем, из чего же состоят сами атомы.

Структура атома

То, что атом не является единым целым, может показаться неожиданностью, особенно учитывая происхождение термина, который с греческого языка переводится как «неделимый». Однако физике давно известен факт сравнительно сложной и изменчивой структуры атомов. Проще всего сравнить строение «элементарных» частиц с солнечной системой.

Обычный атом составляют три компонента: протоны, нейтроны и электроны. Протоны и нейтроны образуют своеобразное «ядро» атома, поэтому в физике их часто называют нуклонами. Электроны же кружат вокруг ядра, как планеты вокруг солнца. Так же как солнце составляет 99,9% массы солнечной системы, так и атомное ядро практически полностью занимает массу атома.

Электрон

Если атомы невероятно малы, то их составляющие частицы еще меньше. Удивительно, что первым из трех элементов атомной структуры был обнаружен самый маленький по размеру - электрон. Для того чтобы понять, насколько электрон меньше атомного ядра, легче всего представить себе шмеля, летающего вокруг воздушного шара. Так каким же образом такие невообразимо малые частицы материи были обнаружены? Все дело в том, что несмотря на размер, электроны обладают огромной энергией, достаточной для создания видимых световых излучений.

Именно благодаря этим излучениям их впервые обнаружил британский физик Джозеф Джон Томсон, который создал своеобразный прототип ускорителя элементарных частиц. В изогнутую стеклянную трубку, в которой предварительно был создан вакуум, Томсон с одного края пустил отрицательный заряд тока. В результате заряда электроны, которые сами по себе обладают отрицательным зарядом, смогли отделиться от ядра и направиться к противоположному краю трубки. При столкновении с поверхностью стекла отрицательно заряженные частицы создали удивительное желто-зеленое сияние.

Протон

Открытие электрона заставило ученых задуматься над тем, что атом не так прост, как кажется. Большинство атомов обладают нейтральным зарядом, и чтобы удержать в своей структуре отрицательно заряженные частицы, им нужен положительный заряд. Так, в фокус ученых попал нуклеус, или атомное ядро. В начале XX века было проведено несколько экспериментов, в результате которых ученые доказали существование протонов и, кроме этого, строение атома, напоминающее структуру солнечной системы.

Британский физик Эрнест Резерфорд провел эксперимент по рассеиванию частиц через тонкую золотую фольгу. Сам ученый признался, что не ожидал многого от эксперимента. Он направил на фольгу поток радиоактивных альфа-лучей, то есть радиацию с положительным зарядом. Большая часть радиации прошла прямо сквозь фольгу, но некоторые частицы отталкивались от золотой поверхности под достаточно большими углами, что указывало на положительно заряженные частицы внутри атомов. Причем частицы эти - достаточно большие и очень плотные, что позволило Резерфорду первым создать планетарную модель строения атома.

Нейтрон

Казалось бы, и строение и поведение атомов были подробно изучены и изложены в многочисленных трудах, но у науки возникла очередная проблема. Как только ученые смогли измерить атомную массу, появился вопрос: почему масса ядра в два раза больше, чем должны весить положительно заряженные протоны? С самого начала ученые предполагали наличие равного по количеству и массе числа нуклонов, не имеющих электрического заряда. Их даже заведомо назвали нейтронами, но никто не мог доказать их существование.

Ученый-физик из Кембриджского университета Джеймс Чедвик совершил прорыв в области ядерной физики, когда не поверил в то, что атомы бериллия излучают гамма-радиацию. На тот момент, гамма-лучи были еще очень свежим открытием, однако Чедвик не поверил большинству ученых и решил провести собственный эксперимент в 1932 году.

Он направил «радиацию», излучаемую бериллием, на материю, богатую протонами. Протоны были вытолкнуты, словно бильярдные шары; так, будто их отодвинули частицы с такой же массой. Такую реакцию невозможно объяснить гамма-радиацией, поэтому частицы были признаны нейтронами. Таким образом, все основные частицы атома были найдены, однако история его изучения на этом не заканчивается.

Снимок был сделан при помощи одной из новейших технологий – специального сканирующего электронного микроскопа. С помощью этого прибора вместе с атомом водорода был сфотографирован и отдельный атом ванадия.
Диаметр атома водорода составляет одну десятимиллиардную часть метра. Ранее считалось, что сфотографировать его современным оборудованием практически невозможно. Водород является самым распространённым веществом. Его часть во всей Вселенной приблизительно 90%.

По словам учёных, таким же способом можно запечатлеть и другие элементарные частицы. «Теперь мы можем увидеть все атомы, из которых состоит наш мир, – заявил профессор Юити Икухара. – Это прорыв к новым формам производства, когда в будущем можно будет принимать решения на уровне отдельных атомов и молекул» .

Атом водорода, цвета условные
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i21/e213001

Группа ученых из Германии, Греции, Нидерландов, США и Франции получила снимки атома водорода. На этих изображениях, полученных при помощи фотоионизационного микроскопа, видно распределение электронной плотности, которое полностью совпадает с результатами теоретических расчетов. Работа международной группы представлена на страницах Physical Review Letters.

Суть фотоионизационного метода заключается в последовательной ионизации атомов водорода, то есть в отрывании от них электрона за счет электромагнитного облучения. Отделившиеся электроны направляются на чувствительную матрицу через положительно заряженное кольцо, причем положение электрона в момент столкновения с матрицей отражает положение электрона в момент ионизации атома. Заряженное кольцо, отклоняющее электроны в сторону, играет роль линзы и с его помощью изображение увеличивается в миллионы раз.

Этот метод, описанный в 2004 году, уже применялся для получения «фотографий» отдельных молекул, однако физики пошли дальше и использовали фотоионизационный микроскоп для исследования атомов водорода. Так как попадание одного электрона дает всего одну точку, исследователи накопили около 20 тысяч отдельных электронов от разных атомов и составили усредненное изображение электронных оболочек.

В соответствии с законами квантовой механики, электрон в атоме не имеет какого-то определенного положения сам по себе. Лишь при взаимодействии атома с внешней средой электрон с той или иной вероятностью проявляется в некоторой окрестности ядра атома: область, в которой вероятность обнаружения электрона максимальна, называется электронной оболочкой. На новых изображениях видны различия между атомами разных энергетических состояний; ученые смогли наглядно продемонстрировать форму предсказанных квантовой механикой электронных оболочек.

При помощи других приборов, сканирующих туннельных микроскопов, отдельные атомы можно не только увидеть, но и переместить в нужное место. Эта техника около месяца назад позволила инженерам компании IBM нарисовать мультфильм, каждый кадр которого сложен из атомов: подобные художественные эксперименты не имеют какого-то практического эффекта, но демонстрируют принципиальную возможность манипуляций с атомами. В прикладных целях используется уже не поатомная сборка, а химические процессы с самоорганизацией наноструктур или самоограничением роста одноатомных слоев на подложке.

Долго не могли ученые избавиться от искажений в системе магнитных линз электронного микроскопа, размывающих изображение и ухудшающих остроту электронного зрения…

И все же атом удалось увидеть! Причем электронный микроскоп вынужден был уступить честь этого выдающегося успеха значительно менее сложному прибору - ионному проектору.

Еще в середине двадцатых годов нашего столетия ученые подсчитали, что для превращения атома на поверхности вещества в ион и «холодного» отрыва его от поверхности без какого-либо подогрева необходимо между исследуемым веществом и посторонним электродом создать электрическое поле напряженностью в сто миллиардов вольт на сантиметр! Но в те годы получение столь сильных электрических полей в эксперименте считалось невозможным.

Фотография отдельных атомов в кристалле, полученная с помощью ионного проектора.

В 1936 году немецкий ученый Э. Мюллер доказал, что если исследуемое вещество представляет собой тончайшую иглу, острие которой будет иметь радиус кривизны около 1000 ангстрем, то, создавая между иглой и расположенным напротив электродом разность потенциалов всего в несколько киловольт, можно получить на кончике острия очень большие напряженности электрического поля. Когда острие иглы, приготовленное путем электрохимического травления концов обычных проволочек, связано с отрицательным электродом внешнего напряжения, из него будут вылетать свободные электроны; если острие соединить с положительным электродом - оно станет источником потока ионов. На пути вылетающих частиц можно поставить экран, покрытый люминофором, и получить видимое изображение частиц вещества, испускаемых острием.

В этих приборах, получивших название автоэлектронных микроскопов или ионных проекторов, нет магнитных линз, каких-либо систем фокусировки и развертки изображения. Увеличение в таком компактном и изящном приборе определяется в основном соотношением между радиусами острия и светящегося экрана.

Около двадцати лет длилось усовершенствование этих внешне простых микроскопов - выбирался состав газовых смесей для заполнения пространства между электродами, подбиралась система охлаждения образцов, изучались разнообразные способы непрерывной подачи на острие атомов исследуемого материала. И вот в 1956 году появились научные публикации Э. Мюллера с уникальными фотографиями, позволяющими разглядеть отдельные атомы на выступах поверхности металлических образцов. Лишь в 1970 году, увеличив ускоряющее напряжение в электронном микроскопе до сотен и тысяч киловольт, ученые повысили зоркость и этого прибора до атомных размеров.

На электронной фотографии белка видны плотно упакованные молекулы, соединенные в большой органический кристалл.

Физики продолжают совершенствовать приборы обоих типов. Созданы полезные дополнительные устройства для анализа тонких пленок и слоев на поверхности вещества с помощью электронных и ионных пучков.

В середине экрана автоэлектронного микроскопа исследователи сделали небольшое отверстие, пропустили в него часть сорванных с кончика острия ионов, разогнали их в магнитном поле и по величине отклонения от прямолинейного пути определили заряд и массу иона.

Направляя на поверхность образцов в электронном микроскопе не один электронный луч, а несколько, ученые смогли увидеть на экране изображение сразу всей кристаллической решетки в твердом теле. Электронные микроскопы нового поколения дали возможность японскому физику А. Хашимото проследить за движением атомов по поверхности вещества, а советским ученым Н. Д. Захарову и В. Н. Рожанскому - наблюдать смещения атомов внутри кристаллов.

Исследуя пленки золота, А. Хашимото сумел различить детали структуры кристаллов длиной в одну десятую ангстрема. Это уже во много раз меньше размера отдельного атома!

Теперь ученые могут перейти к исследованию мельчайших сдвигов во взаимном расположении отдельных атомов в самых больших и разветвленных органических молекулах, особенно в «молекулах жизни», передающих наследственные признаки живых существ от поколения к поколению, таких, как дезоксирибонуклеиновая кислота, чаще именуемая сокращенно ДНК.

В известном стихотворении О. Э. Мандельштама есть строчка: «Я и садовник, я же и цветок…»

Создавая все более совершенные инструменты для познания внешнего мира, физики все чаще обращаются к проникновению в тайны живого, понимая, что человек - самый сложный и непонятный цветок на свете.

Давайте попробуем. Не думаю, что все написанное ниже полностью справедливо, и я вполне мог что-то упустить, но анализ существующих ответов на подобные вопросы и собственные размышления выстроились вот во что:

Возьмем атом водорода: один протон и один электрон на его орбите.

Радиус атома водорода - это как раз радиус орбиты его электрона. В природе он равен 53 пикометрам, то есть 53×10^-12 метра, мы же хотим увеличить его до 30×10^-2 метра - где-то в 5 миллиардов раз.

Диаметр протона (то есть, нашего атомного ядра) - 1.75×10^−15 м. Если увеличить его до желаемых размеров, он окажется размером 1×10^−5 метра, то есть одна сотая миллиметра. Это неразличимо неворуженным взглядом.

Давайте лучше увеличим протон сразу до размеров горошины. Орбита электрона окажется тогда радиусом с футбольное поле.

Протон будет представлять собой область положительного заряда. Он состоит из трех кварков, которые меньше его примерно в тысячу раз - их мы точно не увидим. Существует мнение, что если посыпать этот гипотетический объект магнитной стружкой, она соберется вокруг центра в сферическое облачко.

Электрон увидеть не выйдет. Никакой шарик вокруг атомного ядра летать не будет, «орбита» электрона представляет собой лишь область, в разных точках которой электрон может находиться с разной вероятностью. Можно представить это себе как сферу диаметром со стадион вокруг нашей горошины. В случайных точках внутри этой сферы возникает и моментально пропадает отрицательный электрический заряд. Причем, делает это настолько быстро, что даже в любой отдельно взятый момент времени говорить о его конкретном расположении не имеет смысла... да, это непостижимо. Проще говоря, это никак не «выглядит».

Интересно, кстати, что, увеличив атом до макроскопических размеров, мы надеемся его «увидеть» - то есть, засечь отраженный от него свет. На самом же деле атомы обыкновенных размеров свет не отражают, речь в атомных масштабах идет о взаимодействиях между электронами и фотонами. Электрон может поглотить фотон и перейти на следующий энергетический уровень, он может испустить фотон и так далее. При гипотетическом увеличении этой системы до размеров футбольного поля понадобится слишком много допущений, чтобы предсказать поведение этой невозможной конструкции: будет ли фотон так же воздействовать на гигантский атом? Нужно ли «смотреть» на него, бомбардируя его специальными гигантскими фотонами? Будет ли он излучать гиганские фотоны? Все эти вопросы, строго говоря, не имеют смысла. Думаю, впрочем, можно с уверенностью сказать, что атом не станет отражать свет так, как делал бы это металлический шарик.