Как выглядит атом в реальной жизни
Обновлено: 06.07.2024
Если ядро атома увеличить, скажем, до размера горошины, то облако электронов, вращающихся вокруг него, окажется на расстоянии нескольких километров. Как это могло бы выглядеть, кажется, легко представить в своём воображении, однако, на самом деле мы будем представлять себе шаблонную (планетарную) модель – некий абстрактный шар с вращающимися вокруг него другими шарами. И, разумеется, шар-ядро должен быть больше шаров-электронов.
Но так ли это на самом деле? Ведь, точные размеры частиц, составляющих атомы, как и сами атомы, определить практически невозможно. Кроме того, даже форма атома, не говоря о его составляющих, является загадкой.
Вот они – проблемы
Атом одного и того же химического элемента может находиться в различных электронных состояниях, в зависимости от типа химического соединения, и, следовательно, иметь различные размеры.
Первая попытка определения размеров атомов была сделана в 1920 году. Для этого предполагалось воспользоваться радиусом атома, определенным из межатомного расстояния в чистом металле. Попытка не удалась, так как выяснилось, что в большинстве твердых растворов происходит значительное уменьшение атомных размеров.
Метод рентгеноструктурного анализа позволяет достаточно точно определять межатомные расстояния, но он не может дать сведений о размерах отдельных атомов. Однако знания только типа структуры и межатомных расстояний недостаточно для установления размеров отдельных атомов.
Оптика не стареет
Как выяснилось во второй половине XX века, оптическим микроскопам еще есть куда развиваться. Решающим моментом в биологических и медицинских исследованиях стало появление флуоресцентных красителей и методов, позволяющих избирательно помечать определенные вещества. Это не было «всего лишь новой краской», это был настоящий переворот.
Вопреки расхожему заблуждению, флуоресценция — это вовсе не свечение в темноте (последнее называется люминесценцией). Это явление поглощения квантов определенной энергии (скажем, синего света) с последующим излучением других квантов меньшей энергии и, соответственно, иного света (при поглощении синего испускаться будут зеленые). Если поставить светофильтр, который пропускает только излучаемые красителем кванты и задерживает свет, вызывающий флуоресценцию, можно увидеть темный фон с яркими пятнами красителей, а красители, в свою очередь, могут расцвечивать образец чрезвычайно избирательно.
Например, можно покрасить цитоскелет нервной клетки красным, синапсы выделить зеленым, а ядро — голубым. Можно сделать флуоресцентную метку, которая позволит обнаружить белковые рецепторы на мембране или синтезируемые клеткой в определенных условиях молекулы. Метод иммуногистохимического окрашивания совершил революцию в биологической науке. А когда генные инженеры научились делать трансгенных животных с флуоресцентными белками, этот метод пережил второе рождение: реальностью стали, например, мыши с окрашенными в разные цвета нейронами.
Кроме того, инженеры придумали (и отработали на практике) метод так называемой конфокальной микроскопии. Суть его заключается в том, что микроскоп фокусируется на очень тонкий слой, а специальная диафрагма отсекает создаваемую объектами вне этого слоя засветку. Такой микроскоп может последовательно сканировать образец сверху вниз и получать стопку снимков, которая является готовой основой для трехмерной модели.
Использование лазеров и сложных оптических систем управления лучом позволило решить проблему выгорания красителей и высыхания нежных биологических образцов под ярким светом: луч лазера сканирует образец только тогда, когда это необходимо для съемки. А чтобы не тратить время и силы на осмотр большого препарата через окуляр с узким полем зрения, инженеры предложили автоматическую систему сканирования: на предметный столик современного микроскопа можно положить стекло с образцом, и прибор самостоятельно отснимет масштабную панораму всего образца. При этом в нужных местах он будет наводить на резкость, а затем склеит множество кадров воедино.
В некоторые микроскопы можно посадить живых мышей, крыс или хотя бы мелких беспозвоночных животных. Другие дают небольшое увеличение, зато совмещены с рентгеновским аппаратом. Многие для устранения помех от вибраций монтируются на специальных столах массой в несколько тонн внутри помещений с тщательно контролируемым микроклиматом. Стоимость подобных систем превышает стоимость иных электронных микроскопов, а конкурсы на самый красивый кадр давно стали традицией. Кроме того, продолжается и совершенствование оптики: от поиска лучших сортов стекла и подбора оптимальных комбинаций линз инженеры перешли к принципиально новым способам фокусировки света.
Мы специально перечислили ряд технических подробностей для того, чтобы показать: прогресс в области биологических исследований давно связан с прогрессом в других областях. Если бы не существовало компьютеров, способных автоматически сосчитать число окрашенных клеток на нескольких сотнях фотографий, толку от супермикроскопов было бы немного. А без флуоресцентных красителей все миллионы клеток были бы неотличимы друг от друга, так что проследить за формированием новых или гибелью старых было бы практически невозможно.
Алгоритм, основанный на воображении
Стоит признать, что учёным удалось разработать несколько методов, с помощью которых, теоретически, можно определить размеры атомов в молекулах различных веществ. Часть из них обобщена под названием спектроскопические методы, так как они основаны на взаимодействии света с веществом. Подобные измерения дают представление о размере атома в том смысле, что они показывают, насколько плотно атомы прилегают друг к другу.
Расстояния между атомами, измеренные спектроскопически, и служат основой для определения размеров атомов.
Вот по какому принципу работают электронные микроскопы. Подобно компьютерным программам, они тупо следуют заранее заложенному в них сценарию (алгоритму), после чего выдают некий (ожидаемый) результат. Следовательно, то, что наука преподносит под фотографией атома, или иных субатомных частиц, является лишь абстрактной моделью, сгенерированной на основе субъективных (шаблонных) представлений о вероятном визуальном облике того, что может и не существовать вовсе. Ведь их никто никогда не видел, и если само их существование не принято подвергать сомнению, то размер, форму и цвет – сколько угодно.
Здесь следует заметить, что никаких проблем с верой в существование атомов никогда бы не возникло, если бы не упорное научное постулирование об их материальности. Свои сомнения по поводу материальности микромира я излагал в прошлых публикациях .
Не стоит слишком рьяно обвинять меня в глупости, невежестве и плохом образовании. Ведь я здесь ничего не утверждаю, я размышляю в поисках истины.
Как выглядит атом на самом деле? Просто о сложном.
Какова эже внешняя форма атома и иона. Ответ не будет неожиданным. Электронные оболочки имеют форму близкую к шарообразной. Сейчас с помощью электронных микроскопов получают фотографии атомов. Но конечно здесь опять много интересного и увлекательного.
Грубо представить себе атом можно как матрешку из шариков. откроем большой шарик, а внутри шарик размером поменьше, если откроем его, там будет шарик еще меньше. (Не забываем что шарики- это аналогия и модель для простоты восприятия, на самом деле внутри атома никаких шариков нет). Размер внешней оболочки и определяет размер атома или иона.
Обязательно надо помнить, что электроны вокруг ядра все время движутся, причем с громадными скоростями - примерно 2 000 000 м/с, совершая вокруг ядра около 7 000 000 000 000 000 оборотов в секунду (очень примерные цифры для атома водорода). Конечно с такой частотой вращения мы не различим с Вами никакого электрона, а увидим только размытые очертания электронной оболочки. Проследить путь электрона нельзя, так как современная наука доказала, что нельзя электрон рассматривать как какой-то шарик, и располагать его вокруг ядра как на карусели. Можно только установить границы пространства внутри которых будет двигаться электрон, появляясь то тут, то там.
Приведу еще одну аналогию: представьте себе, что Вы на веревке быстро - быстро раскручиваете камень. Мы не различаем камня, а видим только слабо очерченное кольцо, отмечающее места, где камень побывал. Так и с электроном, мы не видим электрон, а видим лишь размытую электронную оболочку, обозначающую места, где электрон побывал.
На рисунке атом натрия. В черной оболочке ядро и 10 электронов, а внешнюю размытую оболочку образует один - единственный одиннадцатый электрон. Если натрий потеряет этот электрон (вот мы и откроем матрешку), то превратится в положительный ион. А как Вы думаете, что больше по размеру ион или атом? Ответ в следующем материале. Завтра.
Большое спасибо всем читающим и всем ставящим лайки. Значит это многим интересно и канал я сделал не зря. Если материал Вам понравился - делитесь в соцсетях.
Увидеть, чтобы понять
Никто никогда не наблюдал атом. Фотоснимки, сделанные через электронный микроскоп, не в счёт. Электронный микроскоп это, в первую очередь, цифровое (не оптическое) устройство, работающее на основе математических расчётов. Фотографируя атом, электронный микроскоп не видит его, он анализирует некую (цифровую) информацию из которой делает вывод, типа: два плюс три, равно пять , проще говоря – производит вычисления на основе заданных алгоритмов. Ибо, для того чтобы действительно увидеть атом, а потом и сфотографировать его, требуется, не просто колоссальное увеличение, но и фокусировка, возможная лишь при условии синхронизации движения объектива с объектом съемки (атомом). Ведь, атом не стоит на месте и даже не замирает, в ожидании фотографа.
Атомы, как и вообще всё материальное, находятся в постоянном (колебательном) движении.
Согласитесь, фотографирование непоседливых детей, либо животных всегда является проблемой. Нормальные, чёткие, резкие (в фокусе) снимки выходят редко. А порой, пока жмёшь на кнопку фотоаппарата, объект съемки вообще уходит из кадра.
С проблемой нацеливания и фокусировки связаны и астрономические исследования. Там, прежде чем сделать снимок какой-нибудь далекой планеты, звезды или галактики, астроному приходится проделывать, по истине, виртуозные акробатические расчёты. Ведь, чем дальше космический объект, тем точнее надо прицеливаться, учитывая при этом: движение Земли и других планет, время суток, количество облаков, туманностей, звёзд, потенциально загораживающих область съёмки.
Вот почему, почти всегда, перед открытием новых небесных тел, которые невозможно увидеть невооружённым глазом, вывод об их наличии (существовании) и вероятном местоположении делается исключительно на основании математических расчётов. Проще говоря - «каждый охотник желает знать, где сидит фазан». Однако прежде чем это выяснять. Надо быть уверенным, что фазан действительно существует!
И вот, электронный микроскоп нацеливается на постоянно дёргающийся атом…
Настоящее фото одиночного атома стронция в ионной ловушке Настоящее фото одиночного атома стронция в ионной ловушкеЗа дифракционным пределом
У оптических микроскопов есть принципиальный недостаток. Дело в том, что по форме световых волн невозможно восстановить форму тех предметов, которые оказались намного меньше длины волны: с тем же успехом можно пытаться исследовать тонкую текстуру материала рукой в толстой перчатке для сварочных работ.
Ограничения, создаваемые дифракцией, отчасти удалось преодолеть, причем без нарушения законов физики. Поднырнуть под дифракционный барьер оптическим микроскопам помогают два обстоятельства: то, что при флуоресценции кванты излучаются отдельными молекулами красителя (которые могут довольно далеко отстоять друг от друга), и то, что за счет наложения световых волн можно получить яркое пятно с диаметром, меньшим, чем длина волны.
При наложении друг на друга световые волны способны взаимно друг друга погасить, поэтому можно подобрать параметры освещения образца так, чтобы в яркую область попадал по возможности меньший участок. В сочетании с математическими алгоритмами, которые позволяют, например, убрать двоение изображения, такое направленное освещение дает резкое повышение качества съемки. Становится возможным, к примеру, исследовать в оптический микроскоп внутриклеточные структуры и даже (комбинируя описанный метод с конфокальной микроскопией) получать их трехмерные изображения.
Электронный микроскоп до электронных приборов
Для того чтобы открыть атомы и молекулы, ученым не пришлось их рассматривать — молекулярная теория не нуждалась в том, чтобы видеть объект. А вот микробиология стала возможна только после изобретения микроскопа. Поэтому первое время микроскопы ассоциировались именно с медициной и биологией: физики и химики, изучавшие существенно меньшие объекты, обходились другими средствами. Когда же и им захотелось посмотреть на микромир, дифракционные ограничения стали серьезной проблемой, тем более что описанные выше методы флуоресцентной микроскопии были еще неизвестны. Да и толку от повышения разрешающей способности с 500 до 100 нанометров немного, если объект, который надо рассмотреть, еще меньше!
Зная о том, что электроны могут себя вести и как волна, и как частица, физики из Германии в 1926 году создали электронную линзу. Идея, лежащая в ее основе, была очень простой и понятной любому школьнику: раз электромагнитное поле отклоняет электроны, то с его помощью можно поменять форму пучка этих частиц, растащив их в разные стороны, или, напротив, уменьшить диаметр пучка. Спустя пять лет, в 1931 году Эрнст Руска и Макс Кнолл построили первый в мире электронный микроскоп. В приборе образец сначала просвечивался пучком электронов, а потом электронная линза расширяла прошедший насквозь пучок перед тем, как тот падал на специальный люминесцентный экран. Первый микроскоп давал увеличение всего в 400 раз, но замена света на электроны открыла дорогу к фотографированию с увеличением в сотни тысяч раз: конструкторам пришлось всего лишь преодолеть несколько препятствий технического характера.
Как выглядит атом в реальной жизни
Path Space - космос, астрономия, наука запись закреплена
Фото одиночного атома: в чем секрет эпохального снимка
Атомы очень малы, они настолько малы, что человек разглядеть их не может, даже с помощью мощных микроскопов. Но, как это ни парадоксально, на этойм фото атома (а не просто картинке) вы можете увидеть чатсицу невооруженным глазом. Сегодня мы расскажем вам о том, как было сделано реальное фото атома.
Это реальное фото атома под электронным микроскопом сделана Дэвидом Нэдлингером и называется она «Одиночный атом в ионной ловушке». Пару лет назад она одержала победу в конкурсе на лучшую научную фотографию, проводимую Исследовательским советом инженерных и физических наук Великобритании. На фото изображен одиночный атом стронция в мощном электрическом поле. На него направлены лазеры, из-за чего атом испускает свет.
Что мы видим на снимке
Пусть частица и видна, рассмотреть как выглядит атом на фото все равно непросто. Если вы пристально вглядитесь в центр фотографии, то заметите слабо светящуюся голубую точку. Это и есть атом стронция, подсвеченный сине-фиолетовым лазером.
Примечательно то, что атом был сфотографирован обыкновенной цифровой камерой. В дополнение к ней использовались вспышки со светофильтрами и удлинительные кольца для макросъемки. При подсветке лазером атом стронция поглотил, а затем повторно излучил фотоны света. Отраженный свет и зафиксировала камера на длинной выдержке. Атомы без микроскопа можно увидеть только на фото. Название фото "Одиночный атом в ионной ловушке". Что же это за ловушка? Её электрические поля генерируются электродами из металла. На фото атома стронция в микроскопе поля составили два миллиметра.
Стронций в эксперименте использовали из-за размера: у стронция 38 протонов, и диаметр его атома — несколько миллионных долей миллиметра. Обычно столь мелкий объект мы бы не разглядели, но ученые использовали трюк, чтобы сделать атом ярче. Благодаря этому и получилось красивое фото атома.
Как сделали снимок
На фото атом под электронным микроскопом освещен высокомощным лазером, из-за которого электроны, кружащиеся по орбите вокруг атома стронция, получают больше энергии и начинают испускать свет. Как только заряженные электроны дали достаточное количество света, самая обыкновенная камера смогла сделать настоящее фото атома.
Правда, если бы вы лично стояли рядом с этой установкой, то ничего бы не увидели. Снимок сделан с помощью длинной выдержки, так как что без оборудования весь этот свет все равно не заметить. К сожалению, другого способа увидеть реальный одиночный атом невооруженным глазом у человека просто нет. Пока нет. Надеемся, что вскоре научный мир вновь порадует нас новыми фото атомов.
Автор фотографии Дэвид Надлингер сделал фото атома в микроскопе через окно камеры сверхвысокого вакуума, в которой заключена ионная ловушка. Эта техника не нова, но Надлингер впервые сделал это с помощью обычного фотоаппарата. Запечатлеть как выглядит атом под микроскопом на фото ему удалось с помощью камеры Canon 5D Mk II.
Чем снимок интересен для науки
В настоящее время ионные ловушки повсеместно распространены. Множество из них базируется на взаимодействии заряженных частиц с электромагнитным полем высокой частоты. Британский учёный для своего фото атома под микроскопом использовал квадрупольную ионную ловушку, второе название которой ловушка Пауля. Ловушки для ионов широко применяются для масс-спектрометрии — метода исследования вещества при котором определяется концентрация компонентов в нем — молекулярные массу, состав и формулу. Ионные ловушки применяются, помимо прочего, на химических производствах для фильтрации воздуха.
Там, внизу, еще много возможностей Ученые достигли предела разрешения микроскопии
Ученые смогли сфотографировать атом водорода, запечатлев электронные облака. И хотя современные физики с помощью ускорителей могут определять даже форму протона, атом водорода, по-видимому, так и останется самым мелким объектом, изображение которого имеет смысл называть фотографией. «Лента.ру» представляет обзор современных методов фотографирования микромира.
Строго говоря, обычной фотографии в наши дни почти не осталось. Изображения, которые мы по привычке называем фотографиями и можем найти, к примеру, в любом фоторепортаже «Ленты.ру», вообще-то, являются компьютерными моделями. Светочувствительная матрица в специальном приборе (по традиции его продолжают называть «фотоаппаратом») определяет пространственное распределение интенсивности света в нескольких разных спектральных диапазонах, управляющая электроника сохраняет эти данные в цифровом виде, а потом другая электронная схема на основе этих данных отдает команду транзисторам в жидкокристаллическом дисплее. Пленка, бумага, специальные растворы для их обработки — все это стало экзотикой. А если мы вспомним буквальное значение слова, то фотография — это «светопись». Так что говорить о том, что ученым удалось сфотографировать атом, можно лишь с изрядной долей условности.
Больше половины всех астрономических снимков уже давно делают инфракрасные, ультрафиолетовые и рентгеновские телескопы. Электронные микроскопы облучают не светом, а пучком электронов, а атомно-силовые и вовсе сканируют рельеф образца иглой. Есть рентгеновские микроскопы и магнитно-резонансные томографы. Все эти приборы выдают нам точные изображения различных объектов, и несмотря на то что о «светописи» говорить здесь, разумеется, не приходится, мы все же позволим себе именовать такие изображения фотографиями.
Эксперименты физиков по определению формы протона или распределения кварков внутри частиц останутся за кадром; наш рассказ будет ограничен масштабами атомов.
Читайте также: