Tur joprojām ir daudz iespēju. Pirmais ūdeņraža atoma orbitālās struktūras attēls Kā izskatās atoms

Tomēr paša atoma, nevis jebkuras tā daļas fotografēšana šķita ārkārtīgi grūts uzdevums pat tad, ja tiek izmantotas vismodernākās ierīces.

Fakts ir tāds, ka saskaņā ar kvantu mehānikas likumiem nav iespējams vienlīdz precīzi noteikt visas subatomiskās daļiņas īpašības. Šī teorētiskās fizikas nozare ir veidota uz Heizenberga nenoteiktības principa, kas nosaka, ka nav iespējams vienlīdz precīzi izmērīt daļiņas koordinātas un impulsu - precīzi vienas īpašības mērījumi noteikti mainīs datus par otru.

Tāpēc tā vietā, lai noteiktu vietu (daļiņas koordinātas), kvantu teorija piedāvā izmērīt tā saukto viļņu funkciju.

Viļņu funkcija darbojas tāpat kā skaņas vilnis. Vienīgā atšķirība ir tāda, ka skaņas viļņa matemātiskais apraksts nosaka molekulu kustību gaisā noteiktā vietā, bet viļņu funkcija apraksta daļiņas parādīšanās varbūtību noteiktā vietā saskaņā ar Šrēdingera vienādojumu.

Arī viļņu funkcijas mērīšana ir sarežģīta (tieši novērojumi noved pie tās sabrukšanas), taču teorētiskie fiziķi var aptuveni paredzēt tās vērtības.

Visus viļņu funkcijas parametrus ir iespējams eksperimentāli izmērīt tikai tad, ja tie tiek savākti no atsevišķiem destruktīviem mērījumiem, kas veikti pilnīgi identiskām atomu vai molekulu sistēmām.

Fiziķi no Nīderlandes pētniecības institūta AMOLF iepazīstināja ar jaunu metodi, kas neprasa nekādu “pārstrukturēšanu”, un publicēja sava darba rezultātus žurnālā Physical Review Letters. Viņu tehnika ir balstīta uz trīs padomju teorētisko fiziķu 1981. gada hipotēzi, kā arī jaunākiem pētījumiem.

Eksperimenta laikā zinātnieku komanda vērsa divus lāzera starus uz ūdeņraža atomiem, kas novietoti īpašā kamerā. Šī trieciena rezultātā elektroni atstāja savu orbītu ar ātrumu un virzienu, ko noteica to viļņu funkcijas. Spēcīgais elektriskais lauks kamerā, kurā ir ūdeņraža atomi, novirzīja elektronus uz konkrētām plakanā (plakanā) detektora daļām.

Elektronu pozīcija, kas trāpīja detektoram, tika noteikta pēc to sākuma ātruma, nevis pēc to atrašanās vietas kamerā. Tādējādi elektronu sadalījums uz detektora stāstīja zinātniekiem par šo daļiņu viļņu funkciju, kas viņiem bija, kad tās atstāja orbītu ap ūdeņraža atoma kodolu.

Elektronu kustības tika attēlotas uz fosforescējoša ekrāna tumšu un gaišu gredzenu veidā, ko zinātnieki fotografēja ar augstas izšķirtspējas digitālo kameru.

"Mēs esam ļoti apmierināti ar mūsu rezultātiem. Kvantu mehānikai ir tik mazs sakars ar ikdienas dzīvi, ka diez vai kāds būtu domājis iegūt īstu kvantu mijiedarbības fotogrāfiju atomā," saka vadošā autore Aneta Stodolna. Viņa arī apgalvo, ka izstrādātajai tehnikai var būt arī praktiski pielietojumi, piemēram, radīt atoma biezus vadītājus, attīstot molekulāro vadu tehnoloģiju, kas būtiski uzlabos mūsdienu elektroniskās ierīces.

"Zīmīgi, ka eksperiments tika veikts tieši ar ūdeņradi, kas ir visvienkāršākā un visizplatītākā viela mūsu Visumā. Būs nepieciešams saprast, vai šo paņēmienu var izmantot sarežģītākiem atomiem liels sasniegums, kas ļaus mums attīstīt ne tikai elektroniku, bet arī nanotehnoloģiju,” saka Džefs Lundīns no Otavas universitātes, kurš nebija iesaistīts pētījumā.

Taču paši zinātnieki, kas veica eksperimentu, nedomā par jautājuma praktisko pusi. Viņi uzskata, ka viņu atklājums galvenokārt ir saistīts ar fundamentālo zinātni, kas palīdzēs nodot vairāk zināšanu nākamajām fiziķu paaudzēm.

Kā zināms, viss materiālais Visumā sastāv no atomiem. Atoms ir mazākā matērijas vienība, kurai ir savas īpašības. Savukārt atoma struktūru veido maģiska mikrodaļiņu trīsvienība: protoni, neitroni un elektroni.

Turklāt katra no mikrodaļiņām ir universāla. Tas nozīmē, ka pasaulē nevar atrast divus dažādus protonus, neitronus vai elektronus. Viņi visi ir absolūti līdzīgi viens otram. Un atoma īpašības būs atkarīgas tikai no šo mikrodaļiņu kvantitatīvā sastāva atoma kopējā struktūrā.

Piemēram, ūdeņraža atoma struktūra sastāv no viena protona un viena elektrona. Nākamais sarežģītākais atoms, hēlijs, sastāv no diviem protoniem, diviem neitroniem un diviem elektroniem. Litija atomu veido trīs protoni, četri neitroni un trīs elektroni utt.

Atomu struktūra (no kreisās uz labo): ūdeņradis, hēlijs, litijs

Atomi apvienojas, veidojot molekulas, un molekulas apvienojas, veidojot vielas, minerālvielas un organismus. DNS molekula, kas ir visu dzīvo būtņu pamatā, ir struktūra, kas samontēta no tiem pašiem trim maģiskajiem Visuma ķieģeļiem kā akmens, kas guļ uz ceļa. Lai gan šī struktūra ir daudz sarežģītāka.

Vēl pārsteidzošāki fakti atklājas, kad cenšamies tuvāk aplūkot atomu sistēmas proporcijas un uzbūvi. Ir zināms, ka atoms sastāv no kodola un elektroniem, kas pārvietojas ap to pa trajektoriju, kas raksturo sfēru. Tas ir, to pat nevar saukt par kustību šī vārda parastajā nozīmē. Drīzāk elektrons atrodas visur un uzreiz šajā sfērā, radot elektronu mākoni ap kodolu un veidojot elektromagnētisko lauku.

Atoma struktūras shematiski attēlojumi

Atoma kodols sastāv no protoniem un neitroniem, un tajā ir koncentrēta gandrīz visa sistēmas masa. Bet tajā pašā laikā pats kodols ir tik mazs, ka, ja tā rādiuss tiek palielināts līdz 1 cm, tad visas atomu struktūras rādiuss sasniegs simtiem metru. Tādējādi viss, ko mēs uztveram kā blīvu matēriju, sastāv no vairāk nekā 99% enerģētisko saišu starp fiziskajām daļiņām un mazāk nekā 1% no pašām fiziskajām formām.

Bet kādas ir šīs fiziskās formas? No kā tie ir izgatavoti un cik materiāli tie ir? Lai atbildētu uz šiem jautājumiem, sīkāk aplūkosim protonu, neitronu un elektronu struktūras. Tātad, mēs nolaižamies vēl vienu soli mikropasaules dziļumos - līdz subatomisko daļiņu līmenim.

No kā sastāv elektrons?

Mazākā atoma daļiņa ir elektrons. Elektronam ir masa, bet nav tilpuma. Zinātniskajā koncepcijā elektrons nesastāv no nekā, bet ir punkts bez struktūras.

Elektronu nevar redzēt zem mikroskopa. Tas ir redzams tikai elektronu mākoņa formā, kas izskatās kā izplūdusi sfēra ap atoma kodolu. Tajā pašā laikā nav iespējams precīzi pateikt, kur konkrētajā brīdī atrodas elektrons. Instrumenti spēj uztvert nevis pašu daļiņu, bet tikai tās enerģijas pēdas. Elektrona būtība nav iestrādāta matērijas jēdzienā. Tas drīzāk ir kā tukša forma, kas pastāv tikai kustībā un kustības dēļ.

Nekāda elektrona struktūra vēl nav atklāta. Tā ir tāda pati punktveida daļiņa kā enerģijas kvants. Faktiski elektrons ir enerģija, tomēr tā ir stabilāka forma nekā gaismas fotoni.

Šobrīd elektrons tiek uzskatīts par nedalāmu. Tas ir saprotams, jo nav iespējams sadalīt kaut ko, kam nav apjoma. Tomēr teorijā jau ir attīstība, saskaņā ar kuru elektrons satur tādu kvazidaļiņu trīsvienību kā:

• Orbita – satur informāciju par elektrona orbitālo stāvokli;
• Spinons – atbild par griešanos vai griezes momentu;
• Holons – nes informāciju par elektrona lādiņu.

Tomēr, kā redzam, kvazidaļiņām nav nekā kopīga ar matēriju, un tās nes tikai informāciju.

Dažādu vielu atomu fotogrāfijas elektronu mikroskopā

Interesanti, ka elektrons var absorbēt enerģijas kvantus, piemēram, gaismu vai siltumu. Šajā gadījumā atoms pāriet uz jaunu enerģijas līmeni, un elektronu mākoņa robežas paplašinās. Gadās arī, ka elektrona absorbētā enerģija ir tik liela, ka tas var izlēkt no atomu sistēmas un turpināt savu kustību kā neatkarīga daļiņa. Tajā pašā laikā tas uzvedas kā gaismas fotons, tas ir, šķiet, ka tas pārstāj būt daļiņa un sāk parādīt viļņa īpašības. Tas tika pierādīts eksperimentā.

Junga eksperiments

Eksperimenta laikā elektronu plūsma tika vērsta uz ekrānu, kurā bija izgrieztas divas spraugas. Izejot cauri šīm spraugām, elektroni sadūrās ar cita projekcijas ekrāna virsmu, atstājot uz tā savas pēdas. Šīs elektronu “bombardēšanas” rezultātā projekcijas ekrānā parādījās traucējumu modelis, kas līdzīgs tam, kas parādītos, ja caur divām spraugām izietu viļņi, bet ne daļiņas.

Šis modelis rodas tāpēc, ka vilnis, kas iet starp divām spraugām, ir sadalīts divos viļņos. Turpmākās kustības rezultātā viļņi pārklājas viens ar otru, un dažos apgabalos tie tiek savstarpēji atcelti. Rezultāts ir daudzas līnijas uz projekcijas ekrāna, nevis tikai viena, kā tas būtu gadījumā, ja elektrons izturētos kā daļiņa.

Atoma kodola uzbūve: protoni un neitroni

Protoni un neitroni veido atoma kodolu. Un, neskatoties uz to, ka kodols aizņem mazāk nekā 1% no kopējā tilpuma, tieši šajā struktūrā ir koncentrēta gandrīz visa sistēmas masa. Bet fiziķu viedokļi par protonu un neitronu struktūru ir sadalīti, un šobrīd ir divas teorijas.

• Teorija Nr.1 ​​- Standarts

Standarta modelī teikts, ka protonus un neitronus veido trīs kvarki, kurus savieno gluonu mākonis. Kvarki ir punktveida daļiņas, tāpat kā kvanti un elektroni. Un gluoni ir virtuālas daļiņas, kas nodrošina kvarku mijiedarbību. Tomēr ne kvarki, ne gluoni dabā nekad nav atrasti, tāpēc šis modelis ir pakļauts bargai kritikai.

• 2. teorija — alternatīva

Bet saskaņā ar Einšteina izstrādāto alternatīvo vienotā lauka teoriju protons, tāpat kā neitrons, tāpat kā jebkura cita fiziskās pasaules daļiņa, ir elektromagnētiskais lauks, kas rotē ar gaismas ātrumu.

Cilvēka un planētas elektromagnētiskie lauki

Kādi ir atomu uzbūves principi?

Viss pasaulē – plāns un blīvs, šķidrs, ciets un gāzveida – ir tikai neskaitāmu lauku enerģētiskie stāvokļi, kas caurstrāvo Visuma telpu. Jo augstāks enerģijas līmenis laukā, jo plānāks un mazāk uztverams. Jo zemāks enerģijas līmenis, jo tas ir stabilāks un taustāmāks. Atoma uzbūve, tāpat kā jebkuras citas Visuma vienības uzbūve, slēpjas šādu – enerģijas blīvumā atšķirīgu – lauku mijiedarbībā. Izrādās, ka matērija ir tikai prāta ilūzija.

Faktiski RTCh autors savos “pārdomās” ir aizgājis tik tālu, ka ir pienācis laiks izraisīt smagu pretargumentu, proti, dati no Japānas zinātnieku eksperimenta ūdeņraža atoma fotografēšanai, kas kļuva zināms 4. novembrī. , 2010. gads. Attēlā skaidri redzama atoma forma, kas apliecina gan atomu diskrētumu, gan apaļumu: “Tokijas universitātes zinātnieku un speciālistu grupa pirmo reizi pasaulē fotografēja atsevišķu ūdeņraža atomu – vieglāko un mazāko no visiem atomiem, ziņo ziņu aģentūras.

Attēls uzņemts, izmantojot vienu no jaunākajām tehnoloģijām – īpašu skenējošo elektronu mikroskopu. Izmantojot šo ierīci, kopā ar ūdeņraža atomu tika nofotografēts atsevišķs vanādija atoms.
Ūdeņraža atoma diametrs ir viena desmitmiljardā daļa no metra. Iepriekš tika uzskatīts, ka ar modernu aprīkojumu to nofotografēt ir gandrīz neiespējami. Ūdeņradis ir visizplatītākā viela. Tās daļa visā Visumā ir aptuveni 90%.

Pēc zinātnieku domām, tādā pašā veidā var notvert arī citas elementārdaļiņas. "Tagad mēs varam redzēt visus atomus, kas veido mūsu pasauli," sacīja profesors Yuichi Ikuhara. "Tas ir izrāviens uz jaunām ražošanas formām, kad nākotnē būs iespējams pieņemt lēmumus atsevišķu atomu un molekulu līmenī."

Ūdeņraža atoms, relatīvās krāsas
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i21/e213001

Zinātnieku grupa no Vācijas, Grieķijas, Nīderlandes, ASV un Francijas uzņēma ūdeņraža atoma attēlus. Šie attēli, kas iegūti, izmantojot fotojonizācijas mikroskopu, parāda elektronu blīvuma sadalījumu, kas pilnībā atbilst teorētisko aprēķinu rezultātiem. Starptautiskās komandas darbs tiek prezentēts Physical Review Letters lapās.

Fotojonizācijas metodes būtība ir ūdeņraža atomu secīga jonizācija, tas ir, elektrona noņemšana no tiem elektromagnētiskā starojuma dēļ. Atdalītie elektroni caur pozitīvi lādētu gredzenu tiek virzīti uz jutīgo matricu, un elektrona pozīcija sadursmes brīdī ar matricu atspoguļo elektrona stāvokli atoma jonizācijas brīdī. Uzlādētais gredzens, kas novirza elektronus uz sāniem, darbojas kā lēca un ar tā palīdzību attēls tiek palielināts miljoniem reižu.

Šī 2004. gadā aprakstītā metode jau tika izmantota atsevišķu molekulu “fotografēšanai”, taču fiziķi gāja tālāk un izmantoja fotojonizācijas mikroskopu, lai pētītu ūdeņraža atomus. Tā kā viena elektrona trieciens rada tikai vienu punktu, pētnieki uzkrāja aptuveni 20 tūkstošus atsevišķu elektronu no dažādiem atomiem un apkopoja vidējo elektronu apvalku attēlu.

Saskaņā ar kvantu mehānikas likumiem elektronam atomā pašam nav noteiktas pozīcijas. Tikai tad, kad atoms mijiedarbojas ar ārējo vidi, elektrons ar tādu vai citu varbūtību parādās noteiktā atoma kodola apkārtnē: reģionu, kurā elektrona noteikšanas varbūtība ir maksimāla, sauc par elektronu apvalku. Jaunajos attēlos redzamas atšķirības starp dažādu enerģijas stāvokļu atomiem; Zinātniekiem izdevās skaidri parādīt kvantu mehānikas paredzēto elektronu apvalku formu.

Ar citu ierīču, skenējošo tuneļmikroskopu palīdzību var ne tikai redzēt atsevišķus atomus, bet arī pārvietot uz vēlamo vietu. Apmēram pirms mēneša šis paņēmiens ļāva IBM inženieriem uzzīmēt karikatūru, kuras katrs kadrs sastāv no atomiem: šādiem mākslinieciskiem eksperimentiem nav nekādas praktiskas ietekmes, bet tiek demonstrēta fundamentāla iespēja manipulēt ar atomiem. Lietišķos nolūkos vairs netiek izmantota atomu montāža, bet ķīmiskie procesi ar nanostruktūru pašorganizēšanos vai monatomisko slāņu augšanas pašierobežošanos uz substrāta.

Ūdeņraža atoms, kas uztver elektronu mākoņus. Un, lai gan mūsdienu fiziķi, izmantojot paātrinātājus, var pat noteikt protona formu, ūdeņraža atoms, acīmredzot, paliks mazākais objekts, kura attēlu ir jēga saukt par fotogrāfiju. Lenta.ru sniedz pārskatu par mūsdienu mikropasaules fotografēšanas metodēm.

Stingri sakot, mūsdienās vairs nav gandrīz nekādas parastas fotogrāfijas. Attēli, kurus mēs parasti saucam par fotogrāfijām un kurus var atrast, piemēram, jebkurā Lenta.ru fotoreportāžā, patiesībā ir datoru modeļi. Gaismas jutīga matrica īpašā ierīcē (tradicionāli to turpina saukt par "kameru") nosaka gaismas intensitātes telpisko sadalījumu vairākos dažādos spektrālos diapazonos, vadības elektronika saglabā šos datus digitālā formā, un tad cita elektroniskā shēma, pamatojoties uz šiem datiem, dod komandu šķidro kristālu displejā esošajiem tranzistoriem. Plēve, papīrs, speciāli risinājumi to apstrādei – tas viss kļuvis eksotiski. Un, ja atceramies vārda burtisko nozīmi, tad fotogrāfija ir “gaismas glezniecība”. Tātad, ko mēs varam teikt, ka zinātniekiem izdevās nofotografēt atoms, ir iespējams tikai ar pietiekamu vienošanos.

Vairāk nekā puse no visiem astronomiskajiem attēliem jau sen ir uzņemti ar infrasarkanajiem, ultravioletajiem un rentgenstaru teleskopiem. Elektronmikroskopi apstaro nevis ar gaismu, bet ar elektronu kūli, savukārt atomspēka mikroskopi pat skenē parauga reljefu ar adatu. Ir rentgena mikroskopi un magnētiskās rezonanses skeneri. Visas šīs ierīces mums sniedz precīzus dažādu objektu attēlus, un, neskatoties uz to, ka par “gaismas glezniecību” šeit, protams, nav jārunā, mēs tomēr atļausimies šādus attēlus saukt par fotogrāfijām.

Fiziķu eksperimenti, lai noteiktu protona formu vai kvarku sadalījumu daļiņās, paliks aizkulisēs; mūsu stāsts aprobežosies ar atomu mērogu.

Optika nekad nenoveco

Kā izrādījās 20. gadsimta otrajā pusē, optiskajiem mikroskopiem vēl ir kur pilnveidoties. Izšķirošs brīdis bioloģiskajos un medicīniskajos pētījumos bija fluorescējošu krāsvielu un metožu parādīšanās, kas ļauj selektīvi marķēt noteiktas vielas. Šī nebija "tikai jauna krāsas kārta", tā bija īsta revolūcija.

Pretēji izplatītajam uzskatam, fluorescence nepavisam nav spīdums tumsā (pēdējo sauc par luminiscenci). Šī ir noteiktas enerģijas kvantu absorbcijas parādība (teiksim, zilā gaisma) ar sekojošu citu zemākas enerģijas kvantu un attiecīgi citu gaismas emisiju (absorbējot zilo, tiks izstaroti zaļie). Ja uzstādāt gaismas filtru, kas pārraida tikai krāsvielas izstarotos kvantus un bloķē gaismu, kas izraisa fluorescenci, jūs varat redzēt tumšu fonu ar spilgtiem krāsvielu plankumiem, un krāsvielas savukārt var krāsot paraugu ārkārtīgi selektīvi.

Piemēram, jūs varat krāsot nervu šūnas citoskeletu sarkanā krāsā, sinapses zaļā krāsā un kodolu zilā krāsā. Varat izveidot fluorescējošu etiķeti, kas noteiktos apstākļos ļaus noteikt proteīnu receptorus uz membrānas vai molekulas, ko šūna sintezē. Imūnhistoķīmiskā krāsošanas metode ir mainījusi bioloģijas zinātni. Un, kad gēnu inženieri iemācījās izgatavot transgēnus dzīvniekus ar fluorescējošiem proteīniem, šī metode piedzīvoja atdzimšanu: piemēram, peles ar dažādās krāsās krāsotiem neironiem kļuva par realitāti.

Turklāt inženieri nāca klajā ar (un praktizēja) tā sauktās konfokālās mikroskopijas metodi. Tās būtība slēpjas apstāklī, ka mikroskops fokusējas uz ļoti plānu slāni, un speciāla diafragma nogriež ārpus šī slāņa esošo objektu radīto apgaismojumu. Šāds mikroskops var secīgi skenēt paraugu no augšas uz leju un iegūt attēlu kaudzi, kas ir gatavs pamats trīsdimensiju modelim.

Lāzeru un izsmalcinātu optisko staru kontroles sistēmu izmantošana ir atrisinājusi krāsvielu izbalēšanas un smalko bioloģisko paraugu žāvēšanas problēmu spilgtā gaismā: lāzera stars skenē paraugu tikai tad, kad tas ir nepieciešams attēlveidošanai. Un, lai netērētu laiku un pūles liela parauga izpētei caur okulāru ar šauru redzes lauku, inženieri ierosināja automātisko skenēšanas sistēmu: jūs varat novietot glāzi ar paraugu uz modernā mikroskopa skatuves, un ierīce patstāvīgi uzņemt visa parauga liela mēroga panorāmu. Tajā pašā laikā tas fokusēsies pareizajās vietās un pēc tam savienos kopā daudzus kadrus.

Dažos mikroskopos var būt dzīvas peles, žurkas vai vismaz mazi bezmugurkaulnieki. Citi nodrošina nelielu palielinājumu, bet ir apvienoti ar rentgena iekārtu. Lai novērstu vibrāciju radītos traucējumus, daudzi ir uzstādīti uz īpašiem galdiem, kas sver vairākas tonnas telpās ar rūpīgi kontrolētu mikroklimatu. Šādu sistēmu izmaksas pārsniedz citu elektronu mikroskopu izmaksas, un konkursi par skaistāko rāmi jau sen ir kļuvuši par tradīciju. Turklāt optikas pilnveidošana turpinās: no labāko stikla veidu meklēšanas un optimālo lēcu kombināciju izvēles inženieri ir pārgājuši uz gaismas fokusēšanas veidiem.

Mēs esam īpaši uzskaitījuši vairākas tehniskas detaļas, lai parādītu, ka progress bioloģiskās izpētes jomā jau sen ir saistīts ar progresu citās jomās. Ja nebūtu datoru, kas varētu automātiski saskaitīt iekrāsoto šūnu skaitu vairākos simtos fotogrāfiju, supermikroskopi būtu maz lietderīgi. Un bez fluorescējošām krāsvielām visi miljoniem šūnu nevarētu atšķirties viena no otras, tāpēc būtu gandrīz neiespējami uzraudzīt jaunu veidošanos vai veco nāvi.

Būtībā pirmais mikroskops bija skava, kurai bija piestiprināta sfēriska lēca. Šāda mikroskopa analogs var būt vienkārša spēļu kārts ar tajā izveidoto caurumu un ūdens pilienu. Saskaņā ar dažiem ziņojumiem līdzīgas ierīces Kolimas zelta ieguves izmantoja jau pagājušajā gadsimtā.

Pārsniedzot difrakcijas robežu

Optiskajiem mikroskopiem ir būtisks trūkums. Fakts ir tāds, ka, izmantojot gaismas viļņu formu, nav iespējams rekonstruēt to objektu formu, kas izrādījās daudz īsāki par viļņa garumu: ar tādiem pašiem panākumiem jūs varat mēģināt ar roku pārbaudīt materiāla smalko tekstūru. biezs metināšanas cimds.

Difrakcijas radītie ierobežojumi ir daļēji pārvarēti, nepārkāpjot fizikas likumus. Divi apstākļi palīdz optiskajiem mikroskopiem ienirt zem difrakcijas barjeras: fakts, ka fluorescences laikā kvantus izstaro atsevišķas krāsvielu molekulas (kas var būt diezgan tālu viena no otras), un tas, ka, pārklājot gaismas viļņus, ir iespējams iegūt spilgtu plankums, kura diametrs ir mazāks par viļņa garumu.

Kad gaismas viļņi atrodas viens uz otru, tie var viens otru izslēgt, tāpēc parauga apgaismojuma parametri ir iestatīti tā, lai mazākais iespējamais laukums iekristu gaišajā zonā. Apvienojumā ar matemātiskiem algoritmiem, kas ļauj, piemēram, noņemt attēla dubultošanos, šāds virziena apgaismojums nodrošina strauju uzņemšanas kvalitātes pieaugumu. Kļūst iespējams, piemēram, izmeklēt intracelulārās struktūras, izmantojot optisko mikroskopu un pat (apvienojot aprakstīto metodi ar konfokālo mikroskopiju) iegūt no tām trīsdimensiju attēlus.

Elektronu mikroskops uz elektroniskām ierīcēm

Lai atklātu atomus un molekulas, zinātniekiem nebija tie jāskatās – molekulārajai teorijai objekts nebija jāredz. Bet mikrobioloģija kļuva iespējama tikai pēc mikroskopa izgudrošanas. Tāpēc sākotnēji mikroskopi bija saistīti tieši ar medicīnu un bioloģiju: fiziķi un ķīmiķi, kas pētīja ievērojami mazākus objektus, iztika ar citiem līdzekļiem. Kad viņi vēlējās aplūkot mikropasauli, difrakcijas ierobežojumi kļuva par nopietnu problēmu, jo īpaši tāpēc, ka iepriekš aprakstītās fluorescences mikroskopijas metodes joprojām nebija zināmas. Un nav jēgas palielināt izšķirtspēju no 500 līdz 100 nanometriem, ja objekts, kas ir jāpārbauda, ​​ir vēl mazāks!

Zinot, ka elektroni var uzvesties gan kā vilnis, gan kā daļiņa, fiziķi no Vācijas 1926. gadā radīja elektronu lēcu. Ideja bija ļoti vienkārša un saprotama jebkuram skolēnam: tā kā elektromagnētiskais lauks novirza elektronus, to var izmantot, lai mainītu šo daļiņu staru kūļa formu, izraujot tās dažādos virzienos, vai, gluži pretēji, samazinātu diametru. no sijas. Piecus gadus vēlāk, 1931. gadā, Ernsts Ruska un Makss Knolls uzbūvēja pasaulē pirmo elektronu mikroskopu. Ierīcē paraugs vispirms tika apgaismots ar elektronu staru, un pēc tam elektronu lēca paplašināja staru, kas izgāja cauri, pirms tas nokrita uz īpaša luminiscējoša ekrāna. Pirmais mikroskops nodrošināja palielinājumu tikai 400 reižu, bet gaismas aizstāšana ar elektroniem pavēra ceļu fotogrāfijai ar palielinājumu simtiem tūkstošu reižu: dizaineriem bija jāpārvar tikai daži tehniski šķēršļi.

Elektronu mikroskops ļāva izpētīt šūnu struktūru iepriekš nesasniedzamā kvalitātē. Bet no šī attēla nav iespējams saprast šūnu vecumu un noteiktu olbaltumvielu klātbūtni tajās, un šī informācija ir ļoti nepieciešama zinātniekiem.

Elektronu mikroskopi tagad ļauj fotografēt vīrusus tuvplānā. Ir dažādas ierīču modifikācijas, kas ļauj ne tikai izgaismot plānās sekcijas, bet arī tās pārbaudīt “atspīdētā gaismā” (atstarotajos elektronos, protams). Mēs nerunāsim sīkāk par visiem mikroskopu variantiem, taču mēs atzīmējam, ka nesen pētnieki ir iemācījušies rekonstruēt attēlu no difrakcijas modeļa.

Pieskaries, nevis skaties

Vēl viena revolūcija notika, vēl vairāk atkāpjoties no principa “gaismas un redzi”. Atomu spēka mikroskops, kā arī skenējošais tunelēšanas mikroskops vairs neko nespīd uz paraugu virsmas. Tā vietā īpaši tieva adata pārvietojas pa virsmu, burtiski atsitoties pat pāri atsevišķa atoma izmēra nelīdzenumiem.

Neiedziļinoties visu šādu metožu detaļās, mēs atzīmējam galveno: tuneļa mikroskopa adatu var ne tikai pārvietot pa virsmu, bet arī izmantot atomu pārkārtošanai no vietas uz vietu. Tā zinātnieki veido uzrakstus, zīmējumus un pat multenes, kurās zīmēts zēns spēlējas ar atomu. Īsts ksenona atoms, ko vilka skenējošā tuneļa mikroskopa gals.

Tunelēšanas mikroskopu sauc par mikroskopu, jo tas izmanto tunelēšanas strāvas efektu, kas plūst caur adatu: elektroni iziet cauri spraugai starp adatu un virsmu kvantu mehānikas prognozētā tunelēšanas efekta dēļ. Lai šī ierīce darbotos, ir nepieciešams vakuums.

Atomu spēka mikroskops (AFM) ir daudz mazāk prasīgs pret vides apstākļiem - tas var (ar vairākiem ierobežojumiem) darboties bez gaisa izsūknēšanas. Zināmā nozīmē AFM ir gramofona nanotehnoloģiskā pēctece. Adata, kas uzstādīta uz plānas un elastīgas konsoles kronšteina ( konsoles un ir “kronšteins”), pārvietojas pa virsmu, nepieliekot tai spriegumu un seko parauga reljefam tāpat kā gramofona adata seko gramofona ieraksta rievām. Konsoles locīšana izraisa uz tā uzstādītā spoguļa novirzi, kas novirza lāzera staru, un tas ļauj ļoti precīzi noteikt pētāmā parauga formu. Galvenais, lai būtu diezgan precīza adatas pārvietošanas sistēma, kā arī adatu krājums, kam jābūt perfekti asām. Izliekuma rādiuss šādu adatu galos nedrīkst pārsniegt vienu nanometru.

AFM ļauj redzēt atsevišķus atomus un molekulas, bet, tāpat kā tunelēšanas mikroskops, tas neļauj jums skatīties zem parauga virsmas. Citiem vārdiem sakot, zinātniekiem ir jāizvēlas starp spēju redzēt atomus un spēju pētīt visu objektu. Tomēr pat optiskajiem mikroskopiem pētāmo paraugu iekšpuse ne vienmēr ir pieejama, jo minerāli vai metāli parasti slikti caurlaida gaismu. Turklāt joprojām ir grūtības ar atomu fotografēšanu – šie objekti parādās kā vienkāršas bumbiņas, elektronu mākoņu forma šādos attēlos nav redzama.

Sinhrotronu starojums, kas rodas, palēninot lādētās daļiņas, ko paātrinājuši paātrinātāji, ļauj izpētīt aizvēsturisko dzīvnieku pārakmeņojušās atliekas. Rotējot paraugu zem rentgena stariem, varam iegūt trīsdimensiju tomogrammas – tā, piemēram, smadzenes tika atrastas pirms 300 miljoniem gadu izmirušo zivju galvaskausa iekšpusē. Bez rotācijas var iztikt, ja pārraidīto starojumu fiksē, fiksējot difrakcijas dēļ izkliedētos rentgena starus.

Un šīs nav visas iespējas, ko paver rentgena starojums. Apstarojot ar to, daudzi materiāli fluorescē, un vielas ķīmisko sastāvu var noteikt pēc fluorescences rakstura: šādi zinātnieki krāso senos artefaktus, viduslaikos izdzēstos Arhimēda darbus vai spalvu krāsu sen izmiruši putni.

Atomi pozē

Ņemot vērā visas iespējas, ko sniedz rentgenstaru vai optiskās fluorescences metodes, jauna atsevišķu atomu fotografēšanas metode vairs nešķiet tik liels zinātnes sasniegums. Metodes būtība, kas ļāva iegūt šonedēļ prezentētos attēlus, ir šāda: elektronus atdala no jonizētiem atomiem un nosūta uz īpašu detektoru. Katrs jonizācijas akts noņem elektronu no noteiktas pozīcijas un dod vienu punktu “fotogrāfijā”. Uzkrājuši vairākus tūkstošus šādu punktu, zinātnieki izveidoja attēlu, kurā redzamas visticamākās vietas elektrona noteikšanai ap atoma kodolu, un tas pēc definīcijas ir elektronu mākonis.

Noslēgumā jāsaka, ka spēja redzēt atsevišķus atomus ar to elektronu mākoņiem drīzāk ir glazūra uz mūsdienu mikroskopijas kūkas. Zinātniekiem bija svarīgi pētīt materiālu uzbūvi, pētīt šūnas un kristālus, un no tā izrietošā tehnoloģiju attīstība ļāva sasniegt ūdeņraža atomu. Viss mazāk jau ir elementārdaļiņu fizikas speciālistu interešu sfēra. Un biologiem, materiālu zinātniekiem un ģeologiem joprojām ir iespējas uzlabot mikroskopus, pat ar diezgan pieticīgu palielinājumu salīdzinājumā ar atomu fonu. Piemēram, neirofiziologi jau sen ir vēlējušies iegūt ierīci, kas spēj redzēt atsevišķas šūnas dzīvās smadzenēs, un Marsa roveru radītāji pārdotu savas dvēseles elektronu mikroskopam, kas varētu ietilpt kosmosa kuģī un varētu darboties uz Marsa.

Šajā fotogrāfijā jūs skatāties uz pirmo tiešo attēlu, kurā redzams elektrona orbītas ap atomu - patiesībā atoma viļņu funkcija!

Lai fotografētu ūdeņraža atoma orbitālo struktūru, pētnieki izmantoja mūsdienīgu kvantu mikroskopu, neticamu ierīci, kas ļauj zinātniekiem ieskatīties kvantu fizikas jomā.

Telpas orbitālo struktūru atomā aizņem elektrons. Bet, lai aprakstītu šīs vielas mikroskopiskās īpašības, zinātnieki paļaujas uz viļņu funkcijām - matemātiskiem veidiem, kā aprakstīt daļiņu kvantu stāvokļus, proti, uz to, kā tās uzvedas telpā un laikā.

Kā likums, kvantu fizikā tādas formulas kā Šrēdingera vienādojums izmanto, lai aprakstītu daļiņu stāvokļus.

Šķēršļi pētnieku ceļā

Līdz šim zinātnieki nekad nebija novērojuši viļņu funkciju. Mēģinājums fiksēt precīzu viena elektrona atrašanās vietu vai impulsu bija kā mēģinājums noķert mušu baru. Tiešos novērojumus izkropļoja ļoti nepatīkama parādība – kvantu koherence.

Lai izmērītu visus kvantu stāvokļus, jums ir nepieciešams instruments, kas laika gaitā var veikt vairākus daļiņu stāvokļu mērījumus.

Bet kā palielināt jau tā mikroskopisko kvantu daļiņas stāvokli? Starptautisku pētnieku grupa atrada atbildi. Izmantojot kvantu mikroskopu, ierīci, kas izmanto fotojonizāciju, lai tieši novērotu atomu struktūras.

Savā rakstā populārajā žurnālā Physical Review Letters Aneta Stodolna, kas strādā Molekulārās fizikas institūtā (AMOLF) Nīderlandē, apraksta, kā viņa un viņas komanda ieguva ūdeņraža atoma mezgla elektronu orbitāļu struktūras. statiskais elektriskais lauks.

Darba metode

Pēc apstarošanas ar lāzerimpulsiem jonizētie elektroni atstāja savas orbītas un pa izmērīto trajektoriju iekrita 2D detektorā (dubultā mikrokanālu plāksne. Detektors atrodas perpendikulāri pašam laukam). Ir daudzas trajektorijas, pa kurām elektroni var pārvietoties pirms sadursmes ar detektoru. Tas nodrošina pētniekiem traucējumu modeļu kopumu - modeļus, kas atspoguļo viļņu funkcijas mezglu struktūru.
Pētnieki izmantoja elektrostatisko lēcu, kas palielina izejošo elektronu vilni vairāk nekā 20 000 reižu.