Ci sono ancora molte possibilità laggiù. Prima immagine della struttura orbitale di un atomo di idrogeno. Come appare un atomo

Tuttavia, fotografare l'atomo stesso, e non solo una sua parte, sembrava essere un compito estremamente difficile anche utilizzando i dispositivi più tecnologici.

Il fatto è che secondo le leggi della meccanica quantistica è impossibile determinare con la stessa precisione tutte le proprietà di una particella subatomica. Questo ramo della fisica teorica si basa sul principio di indeterminazione di Heisenberg, secondo il quale è impossibile misurare le coordinate e la quantità di moto di una particella con la stessa precisione: misurazioni accurate di una proprietà cambieranno sicuramente i dati sull'altra.

Pertanto, invece di determinare la posizione (coordinate della particella), la teoria quantistica propone di misurare la cosiddetta funzione d'onda.

La funzione d'onda funziona più o meno allo stesso modo di un'onda sonora. L'unica differenza è che la descrizione matematica di un'onda sonora determina il movimento delle molecole nell'aria in un determinato luogo e la funzione d'onda descrive la probabilità che una particella appaia in un determinato luogo secondo l'equazione di Schrödinger.

Anche misurare la funzione d'onda è difficile (le osservazioni dirette portano al suo collasso), ma i fisici teorici possono prevederne approssimativamente i valori.

È possibile misurare sperimentalmente tutti i parametri della funzione d'onda solo se vengono raccolti da misurazioni distruttive separate effettuate su sistemi di atomi o molecole completamente identici.

I fisici dell'istituto di ricerca olandese AMOLF hanno presentato un nuovo metodo che non richiede alcun "riarrangiamento" e hanno pubblicato i risultati del loro lavoro sulla rivista Physical Review Letters. La loro tecnica si basa su un'ipotesi del 1981 di tre fisici teorici sovietici, nonché su ricerche più recenti.

Durante l'esperimento, un team di scienziati ha diretto due raggi laser sugli atomi di idrogeno posti in una camera speciale. Come risultato di questo impatto, gli elettroni lasciarono le loro orbite alla velocità e alla direzione determinate dalle loro funzioni d'onda. Il forte campo elettrico nella camera contenente gli atomi di idrogeno dirigeva gli elettroni verso parti specifiche del rilevatore planare (piatto).

La posizione degli elettroni che colpivano il rivelatore era determinata dalla loro velocità iniziale, non dalla loro posizione nella camera. Pertanto, la distribuzione degli elettroni sul rilevatore ha rivelato agli scienziati la funzione d'onda che avevano queste particelle quando lasciavano l'orbita attorno al nucleo di un atomo di idrogeno.

I movimenti degli elettroni sono stati visualizzati su uno schermo fosforescente sotto forma di anelli scuri e luminosi, che gli scienziati hanno fotografato con una fotocamera digitale ad alta risoluzione.

"Siamo molto soddisfatti dei nostri risultati. La meccanica quantistica ha così poco a che fare con la vita di tutti i giorni che è improbabile che qualcuno avrebbe pensato di ottenere una fotografia reale delle interazioni quantistiche in un atomo", afferma l'autrice principale Aneta Stodolna. Afferma inoltre che la tecnica sviluppata può anche avere applicazioni pratiche, ad esempio, per creare conduttori spessi quanto un atomo, lo sviluppo della tecnologia dei fili molecolari, che migliorerà significativamente i moderni dispositivi elettronici.

«È interessante notare che l'esperimento è stato condotto specificamente sull'idrogeno, che è la sostanza più semplice e più comune nel nostro Universo. Bisognerà capire se questa tecnica può essere applicata ad atomi più complessi un grande passo avanti che ci permetterà di sviluppare non solo l’elettronica, ma anche la nanotecnologia”, afferma Jeff Lundeen dell’Università di Ottawa, che non è stato coinvolto nello studio.

Tuttavia, gli stessi scienziati che hanno condotto l'esperimento non pensano al lato pratico della questione. Credono che la loro scoperta riguardi principalmente la scienza fondamentale, che aiuterà a trasmettere più conoscenze alle future generazioni di fisici.

Come sai, tutto ciò che è materiale nell'Universo è costituito da atomi. Un atomo è la più piccola unità di materia che porta con sé le sue proprietà. A sua volta, la struttura dell'atomo è costituita da una magica trinità di microparticelle: protoni, neutroni ed elettroni.

Inoltre, ciascuna delle microparticelle è universale. Cioè, non è possibile trovare due diversi protoni, neutroni o elettroni nel mondo. Sono tutti assolutamente simili tra loro. E le proprietà dell'atomo dipenderanno solo dalla composizione quantitativa di queste microparticelle nella struttura complessiva dell'atomo.

Ad esempio, la struttura di un atomo di idrogeno è costituita da un protone e un elettrone. Il successivo atomo più complesso, l'elio, è costituito da due protoni, due neutroni e due elettroni. Un atomo di litio è composto da tre protoni, quattro neutroni e tre elettroni, ecc.

Struttura atomica (da sinistra a destra): idrogeno, elio, litio

Gli atomi si combinano per formare molecole e le molecole si combinano per formare sostanze, minerali e organismi. La molecola del DNA, che è la base di tutti gli esseri viventi, è una struttura assemblata dagli stessi tre magici mattoni dell'universo della pietra che giace sulla strada. Sebbene questa struttura sia molto più complessa.

Fatti ancora più sorprendenti vengono rivelati quando proviamo a dare uno sguardo più da vicino alle proporzioni e alla struttura del sistema atomico. È noto che un atomo è costituito da un nucleo e da elettroni che si muovono attorno ad esso lungo una traiettoria che descrive una sfera. Cioè, non può nemmeno essere definito un movimento nel senso comune del termine. Piuttosto, l’elettrone si trova ovunque e immediatamente all’interno di questa sfera, creando una nuvola di elettroni attorno al nucleo e formando un campo elettromagnetico.

Rappresentazioni schematiche della struttura di un atomo

Il nucleo di un atomo è costituito da protoni e neutroni e in esso è concentrata quasi tutta la massa del sistema. Ma allo stesso tempo, il nucleo stesso è così piccolo che se il suo raggio aumenta fino a 1 cm, il raggio dell'intera struttura atomica raggiungerà centinaia di metri. Pertanto, tutto ciò che percepiamo come materia densa è costituito per oltre il 99% dai legami energetici tra le particelle fisiche e per meno dell'1% dalle forme fisiche stesse.

Ma quali sono queste forme fisiche? Di cosa sono fatti e quanto sono materiali? Per rispondere a queste domande, diamo uno sguardo più da vicino alle strutture di protoni, neutroni ed elettroni. Quindi, scendiamo ancora un passo nelle profondità del micromondo, al livello delle particelle subatomiche.

Da cosa è costituito un elettrone?

La particella più piccola di un atomo è un elettrone. Un elettrone ha massa ma non volume. Nel concetto scientifico l'elettrone non è costituito da nulla, ma è un punto privo di struttura.

Un elettrone non può essere visto al microscopio. È visibile solo sotto forma di una nuvola di elettroni, che sembra una sfera sfocata attorno al nucleo atomico. Allo stesso tempo, è impossibile dire con precisione dove si trova l'elettrone in un dato momento. Gli strumenti sono in grado di catturare non la particella stessa, ma solo la sua traccia energetica. L'essenza dell'elettrone non è racchiusa nel concetto di materia. È piuttosto come una forma vuota che esiste solo nel movimento e grazie al movimento.

Nessuna struttura nell'elettrone è stata ancora scoperta. È la stessa particella puntiforme di un quanto di energia. In realtà l'elettrone è energia, ma ne è una forma più stabile di quella rappresentata dai fotoni della luce.

Al momento, l'elettrone è considerato indivisibile. Ciò è comprensibile, perché è impossibile dividere qualcosa che non ha volume. Tuttavia, la teoria ha già degli sviluppi secondo i quali l'elettrone contiene una trinità di quasiparticelle come:

• Orbitone – contiene informazioni sulla posizione orbitale dell'elettrone;
• Spinone – responsabile della rotazione o della coppia;
• Holon: trasporta informazioni sulla carica dell'elettrone.

Tuttavia, come vediamo, le quasiparticelle non hanno assolutamente nulla in comune con la materia e trasportano solo informazioni.

Fotografie di atomi di diverse sostanze al microscopio elettronico

È interessante notare che un elettrone può assorbire quanti di energia, come luce o calore. In questo caso, l'atomo si sposta su un nuovo livello energetico e i confini della nuvola di elettroni si espandono. Accade anche che l'energia assorbita da un elettrone sia così grande che può saltare fuori dal sistema atomico e continuare il suo movimento come particella indipendente. Allo stesso tempo, si comporta come un fotone di luce, cioè sembra cessare di essere una particella e inizia a mostrare le proprietà di un'onda. Ciò è stato dimostrato in un esperimento.

L'esperimento di Jung

Durante l'esperimento, un flusso di elettroni è stato diretto verso uno schermo in cui erano tagliate due fenditure. Passando attraverso queste fessure, gli elettroni entravano in collisione con la superficie di un altro schermo di proiezione, lasciandovi il segno. Come risultato di questo “bombardamento” di elettroni, sullo schermo di proiezione apparve uno schema di interferenza, simile a quello che apparirebbe se le onde, ma non le particelle, passassero attraverso due fenditure.

Questo modello si verifica perché un'onda che passa tra due fenditure viene divisa in due onde. In seguito all'ulteriore movimento, le onde si sovrappongono e in alcune zone si annullano a vicenda. Il risultato sono molte linee sullo schermo di proiezione, invece di una sola, come accadrebbe se l’elettrone si comportasse come una particella.

Struttura del nucleo di un atomo: protoni e neutroni

Protoni e neutroni costituiscono il nucleo di un atomo. E nonostante il nucleo occupi meno dell'1% del volume totale, è in questa struttura che si concentra quasi l'intera massa del sistema. Ma sulla struttura dei protoni e dei neutroni i fisici sono divisi e al momento esistono due teorie.

• Teoria n. 1 - Standard

Il Modello Standard afferma che protoni e neutroni sono costituiti da tre quark collegati da una nuvola di gluoni. I quark sono particelle puntiformi, proprio come i quanti e gli elettroni. E i gluoni sono particelle virtuali che assicurano l'interazione dei quark. Tuttavia, né i quark né i gluoni sono mai stati trovati in natura, quindi questo modello è soggetto a severe critiche.

• Teoria n. 2 – Alternativa

Ma secondo la teoria alternativa del campo unificato, sviluppata da Einstein, il protone, come il neutrone, come qualsiasi altra particella del mondo fisico, è un campo elettromagnetico rotante alla velocità della luce.

Campi elettromagnetici dell'uomo e del pianeta

Quali sono i principi della struttura atomica?

Tutto nel mondo - sottile e denso, liquido, solido e gassoso - sono solo gli stati energetici di innumerevoli campi che permeano lo spazio dell'Universo. Più alto è il livello di energia nel campo, più sottile e meno percepibile è. Più basso è il livello di energia, più stabile e tangibile è. La struttura dell'atomo, così come la struttura di qualsiasi altra unità dell'Universo, risiede nell'interazione di tali campi, diversi nella densità di energia. Si scopre che la materia è solo un'illusione della mente.

In effetti, l'autore di RTCh è andato così lontano nelle sue "riflessioni" che è tempo di provocare una pesante controargomentazione, vale a dire i dati di un esperimento condotto da scienziati giapponesi per fotografare l'atomo di idrogeno, divenuto noto il 4 novembre , 2010. L'immagine mostra chiaramente la forma atomica, confermando sia la discrezione che la rotondità degli atomi: “Un gruppo di scienziati e specialisti dell'Università di Tokyo ha fotografato per la prima volta al mondo un singolo atomo di idrogeno - il più leggero e il più piccolo di tutti gli atomi, riferiscono le agenzie di stampa.

La foto è stata scattata utilizzando una delle tecnologie più recenti: uno speciale microscopio elettronico a scansione. Utilizzando questo dispositivo, è stato fotografato un atomo di vanadio separato insieme a un atomo di idrogeno.
Il diametro di un atomo di idrogeno è un decimiliardesimo di metro. In precedenza si credeva che fosse quasi impossibile fotografarlo con attrezzature moderne. L'idrogeno è la sostanza più comune. La sua quota nell'intero Universo è di circa il 90%.

Secondo gli scienziati, altre particelle elementari possono essere catturate allo stesso modo. "Ora possiamo vedere tutti gli atomi che compongono il nostro mondo", ha detto il professor Yuichi Ikuhara. “Si tratta di una svolta verso nuove forme di produzione, quando in futuro sarà possibile prendere decisioni a livello di singoli atomi e molecole”.

Atomo di idrogeno, relativi colori
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i21/e213001

Un gruppo di scienziati provenienti da Germania, Grecia, Paesi Bassi, Stati Uniti e Francia ha fotografato l'atomo di idrogeno. Queste immagini, ottenute utilizzando un microscopio a fotoionizzazione, mostrano una distribuzione della densità elettronica completamente coerente con i risultati dei calcoli teorici. Il lavoro del team internazionale è presentato sulle pagine di Physical Review Letters.

L'essenza del metodo di fotoionizzazione è la ionizzazione sequenziale degli atomi di idrogeno, cioè la rimozione di un elettrone da essi dovuta all'irradiazione elettromagnetica. Gli elettroni separati vengono diretti alla matrice sensibile attraverso un anello carico positivamente e la posizione dell'elettrone al momento della collisione con la matrice riflette la posizione dell'elettrone al momento della ionizzazione dell'atomo. L'anello carico, che devia gli elettroni lateralmente, funge da lente e con il suo aiuto l'immagine viene ingrandita milioni di volte.

Questo metodo, descritto nel 2004, era già stato utilizzato per scattare “foto” di singole molecole, ma i fisici sono andati oltre e hanno utilizzato un microscopio a fotoionizzazione per studiare gli atomi di idrogeno. Poiché l'impatto di un elettrone produce un solo punto, i ricercatori hanno accumulato circa 20mila elettroni individuali da atomi diversi e hanno compilato un'immagine media dei gusci elettronici.

Secondo le leggi della meccanica quantistica, l'elettrone in un atomo non ha alcuna posizione specifica di per sé. Solo quando un atomo interagisce con l'ambiente esterno un elettrone appare con una o l'altra probabilità in un certo quartiere del nucleo atomico: la regione in cui la probabilità di rilevare un elettrone è massima è chiamata guscio elettronico. Le nuove immagini mostrano differenze tra atomi di diversi stati energetici; Gli scienziati sono riusciti a dimostrare chiaramente la forma dei gusci di elettroni previsti dalla meccanica quantistica.

Con l'aiuto di altri dispositivi, i microscopi a effetto tunnel, i singoli atomi non solo possono essere visti, ma anche spostati nella posizione desiderata. Circa un mese fa, questa tecnica ha permesso agli ingegneri IBM di disegnare un cartone animato, ogni fotogramma del quale è composto da atomi: tali esperimenti artistici non hanno alcun effetto pratico, ma dimostrano la possibilità fondamentale di manipolare gli atomi. Per scopi applicativi non viene più utilizzato l'assemblaggio atomico, ma processi chimici con auto-organizzazione di nanostrutture o autolimitazione della crescita di strati monoatomici sul substrato.

Un atomo di idrogeno che cattura nubi di elettroni. E sebbene i fisici moderni, usando gli acceleratori, possano persino determinare la forma di un protone, l'atomo di idrogeno, a quanto pare, rimarrà l'oggetto più piccolo, la cui immagine ha senso chiamare fotografia. Lenta.ru presenta una panoramica dei metodi moderni per fotografare il micromondo.

A rigor di termini, al giorno d'oggi non è rimasta quasi più alcuna fotografia ordinaria. Le immagini che abitualmente chiamiamo fotografie e che possiamo trovare, ad esempio, in qualsiasi reportage fotografico di Lenta.ru, sono in realtà modelli computerizzati. Una matrice fotosensibile in un dispositivo speciale (tradizionalmente continua a essere chiamata "fotocamera") determina la distribuzione spaziale dell'intensità della luce in diverse gamme spettrali, l'elettronica di controllo memorizza questi dati in forma digitale, e poi un altro circuito elettronico, sulla base di questi dati, dà un comando ai transistor del display a cristalli liquidi. Film, carta, soluzioni speciali per la loro lavorazione: tutto questo è diventato esotico. E se ricordiamo il significato letterale della parola, allora la fotografia è “pittura di luce”. Allora cosa possiamo dire che gli scienziati sono riusciti fotografare atomo, è possibile solo con una discreta quantità di convenzioni.

Più della metà di tutte le immagini astronomiche sono state scattate da tempo con telescopi a infrarossi, ultravioletti e a raggi X. I microscopi elettronici non irradiano con la luce, ma con un fascio di elettroni, mentre i microscopi a forza atomica scansionano addirittura il rilievo del campione con un ago. Ci sono microscopi a raggi X e scanner per risonanza magnetica. Tutti questi dispositivi ci forniscono immagini accurate di vari oggetti e, nonostante il fatto che, ovviamente, non sia necessario parlare di "light painting" qui, ci permetteremo comunque di chiamare tali immagini fotografie.

Gli esperimenti dei fisici per determinare la forma del protone o la distribuzione dei quark all'interno delle particelle rimarranno dietro le quinte; la nostra storia sarà limitata alla scala degli atomi.

L'ottica non invecchia mai

Come si è scoperto nella seconda metà del XX secolo, i microscopi ottici hanno ancora margini di miglioramento. Un momento decisivo nella ricerca biologica e medica è stato l'avvento dei coloranti fluorescenti e dei metodi che consentono l'etichettatura selettiva di alcune sostanze. Questa non era "solo una nuova mano di vernice", era una vera rivoluzione.

Contrariamente alla credenza popolare, la fluorescenza non è affatto un bagliore nel buio (quest'ultimo è chiamato luminescenza). Questo è il fenomeno dell'assorbimento di quanti di una certa energia (ad esempio, la luce blu) con la successiva emissione di altri quanti di energia inferiore e, di conseguenza, altra luce (quando viene assorbito il blu, verranno emessi quelli verdi). Se installi un filtro luminoso che trasmette solo i quanti emessi dal colorante e blocca la luce che provoca la fluorescenza, puoi vedere uno sfondo scuro con punti luminosi di coloranti, e i coloranti, a loro volta, possono colorare il campione in modo estremamente selettivo.

Ad esempio, puoi dipingere il citoscheletro di una cellula nervosa in rosso, le sinapsi in verde e il nucleo in blu. Puoi creare un'etichetta fluorescente che ti consentirà di rilevare i recettori proteici sulla membrana o le molecole sintetizzate dalla cellula in determinate condizioni. Il metodo di colorazione immunoistochimica ha rivoluzionato la scienza biologica. E quando gli ingegneri genetici impararono a creare animali transgenici con proteine ​​fluorescenti, questo metodo conobbe una rinascita: ad esempio, topi con neuroni dipinti in diversi colori divennero una realtà.

Inoltre, gli ingegneri hanno ideato (e messo in pratica) il metodo della cosiddetta microscopia confocale. La sua essenza sta nel fatto che il microscopio si concentra su uno strato molto sottile e uno speciale diaframma interrompe l'illuminazione creata dagli oggetti all'esterno di questo strato. Un tale microscopio può scansionare in sequenza un campione dall'alto verso il basso e ottenere una pila di immagini, che costituisce una base già pronta per un modello tridimensionale.

L'uso di laser e sofisticati sistemi di controllo del raggio ottico ha risolto il problema dello sbiadimento dei coloranti e dell'essiccazione di delicati campioni biologici sotto luce intensa: il raggio laser scansiona il campione solo quando è necessario per l'imaging. E per non perdere tempo e fatica esaminando un campione di grandi dimensioni attraverso un oculare con un campo visivo ristretto, gli ingegneri hanno proposto un sistema di scansione automatica: puoi mettere un bicchiere con un campione sul tavolino di un moderno microscopio e il dispositivo lo farà prendere indipendentemente un panorama su larga scala dell'intero campione. Allo stesso tempo, si concentrerà nei punti giusti e poi unirà insieme molti fotogrammi.

Alcuni microscopi possono contenere topi vivi, ratti o almeno piccoli animali invertebrati. Altri prevedono un leggero ingrandimento, ma sono abbinati ad una macchina a raggi X. Per eliminare le interferenze dovute alle vibrazioni, molti vengono montati su speciali tavoli del peso di diverse tonnellate all'interno di ambienti con un microclima attentamente controllato. Il costo di tali sistemi supera il costo di altri microscopi elettronici e i concorsi per la montatura più bella sono diventati da tempo una tradizione. Inoltre, il miglioramento dell'ottica continua: dalla ricerca dei migliori tipi di vetro alla selezione delle combinazioni ottimali di lenti, gli ingegneri sono passati ai modi per focalizzare la luce.

Abbiamo elencato appositamente una serie di dettagli tecnici per dimostrare che il progresso nel campo della ricerca biologica è stato per lungo tempo associato al progresso in altri settori. Se non esistessero computer in grado di contare automaticamente il numero di cellule colorate in diverse centinaia di fotografie, i supermicroscopi sarebbero di scarsa utilità. E senza coloranti fluorescenti, tutti i milioni di cellule sarebbero indistinguibili l’una dall’altra, quindi sarebbe quasi impossibile monitorare la formazione di nuove o la morte di quelle vecchie.

In effetti, il primo microscopio era un morsetto a cui era fissata una lente sferica. Un analogo di un tale microscopio può essere una semplice carta da gioco con un buco e una goccia d'acqua. Secondo alcuni rapporti, dispositivi simili venivano usati dai cercatori d'oro di Kolyma già nel secolo scorso.

Oltre il limite di diffrazione

I microscopi ottici presentano uno svantaggio fondamentale. Il fatto è che utilizzando la forma delle onde luminose è impossibile ricostruire la forma di quegli oggetti che risultano essere molto più corti della lunghezza d'onda: con lo stesso successo si può provare a esaminare con la mano la trama fine del materiale uno spesso guanto da saldatore.

Le limitazioni create dalla diffrazione sono state parzialmente superate, senza violare le leggi della fisica. Due circostanze aiutano i microscopi ottici a immergersi sotto la barriera di diffrazione: il fatto che durante la fluorescenza vengono emessi quanti di fluorescenza da singole molecole di colorante (che possono essere anche molto distanti tra loro), e il fatto che a causa della sovrapposizione delle onde luminose è possibile ottenere un punto luminoso con un diametro inferiore alla lunghezza d'onda.

Quando sovrapposte, le onde luminose possono annullarsi a vicenda, quindi i parametri di illuminazione del campione sono impostati in modo tale che l'area più piccola possibile rientri nell'area luminosa. In combinazione con algoritmi matematici che consentono, ad esempio, di rimuovere le immagini fantasma nell'immagine, tale illuminazione direzionale fornisce un netto aumento della qualità delle riprese. Diventa possibile, ad esempio, esaminare le strutture intracellulari utilizzando un microscopio ottico e persino (combinando il metodo descritto con la microscopia confocale) ottenerne immagini tridimensionali.

Dal microscopio elettronico agli strumenti elettronici

Per scoprire atomi e molecole, gli scienziati non dovevano guardarli: la teoria molecolare non aveva bisogno di vedere l'oggetto. Ma la microbiologia è diventata possibile solo dopo l’invenzione del microscopio. Pertanto, all'inizio, i microscopi furono associati specificamente alla medicina e alla biologia: fisici e chimici che studiavano oggetti notevolmente più piccoli si accontentarono di altri mezzi. Quando hanno voluto osservare il micromondo, i limiti della diffrazione sono diventati un problema serio, soprattutto perché i metodi di microscopia a fluorescenza sopra descritti erano ancora sconosciuti. E non ha molto senso aumentare la risoluzione da 500 a 100 nanometri se l'oggetto da esaminare è ancora più piccolo!

Sapendo che gli elettroni possono comportarsi sia come un'onda che come una particella, i fisici tedeschi crearono una lente elettronica nel 1926. L'idea alla base era molto semplice e comprensibile a qualsiasi scolaro: poiché il campo elettromagnetico devia gli elettroni, può essere utilizzato per modificare la forma del raggio di queste particelle, separandole in direzioni diverse o, al contrario, per ridurre il diametro del fascio. Cinque anni dopo, nel 1931, Ernst Ruska e Max Knoll costruirono il primo microscopio elettronico al mondo. Nel dispositivo, il campione veniva prima illuminato da un raggio di elettroni, quindi una lente elettronica espandeva il raggio che lo attraversava prima che cadesse su uno speciale schermo luminescente. Il primo microscopio forniva un ingrandimento di sole 400 volte, ma la sostituzione della luce con gli elettroni aprì la strada alla fotografia con un ingrandimento di centinaia di migliaia di volte: i progettisti dovettero superare solo alcuni ostacoli tecnici.

Un microscopio elettronico ha permesso di esaminare la struttura delle cellule con una qualità prima irraggiungibile. Ma da questa immagine è impossibile capire l'età delle cellule e la presenza di alcune proteine ​​in esse, e questa informazione è molto necessaria per gli scienziati.

I microscopi elettronici ora consentono fotografie ravvicinate dei virus. Esistono varie modifiche ai dispositivi che consentono non solo di illuminare sezioni sottili, ma anche di esaminarle in “luce riflessa” (negli elettroni riflessi, ovviamente). Non parleremo in dettaglio di tutte le varianti dei microscopi, ma notiamo che recentemente i ricercatori hanno imparato a ricostruire un'immagine da uno schema di diffrazione.

Tocca, non guarda

Un’altra rivoluzione è avvenuta attraverso un ulteriore allontanamento dal principio “luce e vista”. Un microscopio a forza atomica, così come un microscopio a effetto tunnel, non illumina più nulla sulla superficie dei campioni. Sulla superficie si muove invece un ago particolarmente sottile, che rimbalza letteralmente anche su irregolarità delle dimensioni di un singolo atomo.

Senza entrare nei dettagli di tutti questi metodi, notiamo la cosa principale: l'ago di un microscopio a tunnel può non solo essere spostato lungo la superficie, ma anche usato per riorganizzare gli atomi da un posto all'altro. È così che gli scienziati creano iscrizioni, disegni e persino cartoni animati in cui un ragazzo disegnato gioca con un atomo. Un vero atomo di xeno trascinato dalla punta di un microscopio a scansione ad effetto tunnel.

Il microscopio è chiamato microscopio a tunnel perché sfrutta l'effetto di una corrente tunnel che scorre attraverso un ago: gli elettroni passano attraverso lo spazio tra l'ago e la superficie a causa dell'effetto tunnel previsto dalla meccanica quantistica. Questo dispositivo richiede il vuoto per funzionare.

Un microscopio a forza atomica (AFM) è molto meno impegnativo per le condizioni ambientali: può (con una serie di restrizioni) funzionare senza pompare aria. In un certo senso l’AFM è il successore nanotecnologico del grammofono. Un ago montato su una staffa a sbalzo sottile e flessibile ( a sbalzo e c'è una “staffa”), si muove lungo la superficie senza applicarvi tensione e segue il rilievo del campione allo stesso modo in cui la puntina di un grammofono segue i solchi di un disco. La flessione del cantilever provoca la deflessione dello specchio montato su di esso; lo specchio devia il raggio laser e ciò consente di determinare con estrema precisione la forma del campione in esame. L'importante è avere un sistema abbastanza preciso per muovere l'ago, oltre ad una scorta di aghi che devono essere perfettamente affilati. Il raggio di curvatura sulle punte di tali aghi non può superare un nanometro.

L'AFM consente di vedere singoli atomi e molecole ma, come un microscopio a tunnel, non consente di guardare sotto la superficie di un campione. In altre parole, gli scienziati devono scegliere tra la possibilità di vedere gli atomi e quella di studiare l’intero oggetto. Tuttavia, anche per i microscopi ottici l'interno dei campioni studiati non è sempre accessibile, perché i minerali o i metalli solitamente non trasmettono bene la luce. Inoltre, ci sono ancora difficoltà nel fotografare gli atomi: questi oggetti appaiono come semplici sfere, la forma delle nuvole di elettroni non è visibile in tali immagini.

La radiazione di sincrotrone, che si verifica quando le particelle cariche accelerate dagli acceleratori vengono decelerate, consente di studiare i resti fossili di animali preistorici. Ruotando il campione sotto i raggi X possiamo ottenere tomogrammi tridimensionali: è così, ad esempio, che è stato ritrovato il cervello all'interno del cranio di un pesce estinto 300 milioni di anni fa. È possibile fare a meno della rotazione se la radiazione trasmessa viene registrata registrando i raggi X diffusi a causa della diffrazione.

E queste non sono tutte le possibilità aperte dalle radiazioni a raggi X. Quando irradiati con esso, molti materiali diventano fluorescenti, e la composizione chimica della sostanza può essere determinata dalla natura della fluorescenza: è così che gli scienziati colorano manufatti antichi, le opere di Archimede cancellate nel Medioevo, o il colore delle piume di uccelli estinti da tempo.

Posa degli atomi

Sullo sfondo di tutte le possibilità offerte dai metodi a raggi X o di fluorescenza ottica, un nuovo metodo per fotografare i singoli atomi non sembra più un grande passo avanti nella scienza. L'essenza del metodo che ha permesso di ottenere le immagini presentate questa settimana è la seguente: gli elettroni vengono strappati dagli atomi ionizzati e inviati a uno speciale rilevatore. Ogni atto di ionizzazione rimuove un elettrone da una certa posizione e fornisce un punto nella “fotografia”. Dopo aver accumulato diverse migliaia di punti di questo tipo, gli scienziati hanno formato un'immagine che mostra le posizioni più probabili per rilevare un elettrone attorno al nucleo di un atomo e questa, per definizione, è una nuvola di elettroni.

In conclusione, la capacità di vedere i singoli atomi con le loro nubi elettroniche è piuttosto la ciliegina sulla torta della moderna microscopia. Era importante per gli scienziati studiare la struttura dei materiali, studiare cellule e cristalli e il conseguente sviluppo della tecnologia ha permesso di raggiungere l'atomo di idrogeno. Niente di meno rientra già nel campo di interesse degli specialisti della fisica delle particelle elementari. E biologi, scienziati dei materiali e geologi hanno ancora spazio per migliorare i microscopi, anche con ingrandimenti piuttosto modesti rispetto allo sfondo degli atomi. I neurofisiologi, ad esempio, desideravano da tempo un dispositivo in grado di vedere le singole cellule all'interno di un cervello vivente, e i creatori dei rover su Marte avrebbero venduto le loro anime per un microscopio elettronico che potesse stare a bordo di un veicolo spaziale e funzionare su Marte.

In questa fotografia stai guardando la prima immagine diretta delle orbite di un elettrone attorno a un atomo: in effetti, la funzione d'onda dell'atomo!

Per fotografare la struttura orbitale di un atomo di idrogeno, i ricercatori hanno utilizzato un microscopio quantistico all'avanguardia, un dispositivo incredibile che consente agli scienziati di scrutare il regno della fisica quantistica.

La struttura orbitale dello spazio in un atomo è occupata da un elettrone. Ma per descrivere queste proprietà microscopiche della materia, gli scienziati si affidano alle funzioni d’onda – modi matematici per descrivere gli stati quantistici delle particelle – vale a dire, come si comportano nello spazio e nel tempo.

Di norma, nella fisica quantistica, per descrivere gli stati delle particelle vengono utilizzate formule come l'equazione di Schrödinger.

Ostacoli sul cammino dei ricercatori

Finora gli scienziati non avevano mai effettivamente osservato la funzione d’onda. Cercare di catturare la posizione esatta o la quantità di moto di un singolo elettrone era come cercare di catturare uno sciame di mosche. Le osservazioni dirette sono state distorte da un fenomeno molto spiacevole: la coerenza quantistica.

Per misurare tutti gli stati quantistici, è necessario uno strumento in grado di effettuare misurazioni multiple degli stati di una particella nel tempo.

Ma come aumentare lo stato già microscopico di una particella quantistica? Un gruppo di ricercatori internazionali ha trovato la risposta. Utilizzando un microscopio quantistico, un dispositivo che utilizza la fotoionizzazione per osservare direttamente le strutture atomiche.

Nel suo articolo sulla popolare rivista Physical Review Letters, Aneta Stodolna, che lavora presso l'Istituto di fisica molecolare (AMOLF) nei Paesi Bassi, descrive come lei e il suo team hanno ottenuto le strutture degli orbitali elettronici del nodo di un atomo di idrogeno posto in un campo elettrico statico.

Metodo di lavoro

Dopo l'irradiazione con impulsi laser, gli elettroni ionizzati hanno lasciato le loro orbite e lungo una traiettoria misurata sono caduti in un rilevatore 2D (piastra a doppio microcanale. Il rilevatore è posizionato perpendicolarmente al campo stesso). Esistono molte traiettorie lungo le quali gli elettroni possono viaggiare prima di scontrarsi con il rilevatore. Ciò fornisce ai ricercatori una serie di schemi di interferenza, modelli che riflettono la struttura nodale della funzione d’onda.
I ricercatori hanno utilizzato una lente elettrostatica che amplifica l’onda elettronica in uscita di oltre 20.000 volte.