Трърл започна да улавя атоми, изстъргвайки електрони от тях, месеше протони така, че само пръстите му блеснаха, приготви протонно тесто, изложи електрони около него и - за следващия атом; Не минаха по-малко от пет минути, преди той да държеше кюлче от чисто злато в ръцете си: той го подаде към муцуната си, но тя, като вкуси кюлчето на зъба си и кимаше с глава, каза:
- И наистина злато, но не мога така да гоня атоми. аз съм твърде голям.
- Нищо, ще ти дадем специален апарат! Трърл го убеди.
Станислав Лем, Кибериада
Възможно ли е да се види атом с микроскоп, да се различи от друг атом, да се проследи разрушаването или образуването на химическа връзка и да се види как една молекула се превръща в друга? Да, ако не е обикновен микроскоп, а атомно-силов. И вие можете и не се ограничавате до наблюдение. Живеем във време, когато атомно-силовият микроскоп е престанал да бъде просто прозорец в микросвета. Днес този инструмент може да се използва за преместване на атоми, разрушаване на химически връзки, изследване на границата на разтягане на отделни молекули - и дори изследване на човешкия геном.
Букви от ксенонови пиксели
Разглеждането на атомите не винаги е било толкова лесно. Историята на атомно-силовия микроскоп започва през 1979 г., когато Герд Карл Биниг и Хайнрих Рорер, работещи в изследователския център на IBM в Цюрих, започват да създават инструмент, който да позволява изследване на повърхности с атомна разделителна способност. За да измислят такова устройство, изследователите решават да използват ефекта на тунелния преход - способността на електроните да преодоляват привидно непроницаеми бариери. Идеята беше да се определи позицията на атомите в пробата чрез измерване на силата на тунелния ток, който възниква между сканиращата сонда и изследваната повърхност.
Биниг и Рорер успяха и те влязоха в историята като изобретатели на сканиращия тунелен микроскоп (STM) и през 1986 г. получиха Нобелова награда по физика. Сканиращият тунелен микроскоп направи истинска революция във физиката и химията.
През 1990 г. Дон Айглер и Ерхард Швейцер, работещи в изследователския център на IBM в Калифорния, показаха, че STM може да се използва не само за наблюдение на атоми, но и за манипулиране с тях. Използвайки сондата на сканиращ тунелен микроскоп, те създадоха може би най-популярното изображение, символизиращо прехода на химиците към работа с отделни атоми – те нарисуваха три букви върху никелова повърхност с 35 атома ксенон (фиг. 1).
Binnig не почива на лаврите си - в годината на получаване на Нобеловата награда, заедно с Кристофър Гербер и Калвин Куейт, които също са работили в IBM Zurich Research Center, той започва работа по друго устройство за изучаване на микросвета, лишено от недостатъци които са присъщи на STM. Факт е, че с помощта на сканиращ тунелен микроскоп беше невъзможно да се изследват диелектрични повърхности, а само проводници и полупроводници, а за да се анализират последните, трябваше да се създаде значително разреждане между тях и сондата на микроскопа. Осъзнавайки, че е по-лесно да се създаде ново устройство, отколкото да се надстрои съществуващо, Binnig, Gerber и Quait изобретяват атомно-силовия микроскоп или AFM. Принципът на неговото действие е коренно различен: за да се получи информация за повърхността, не се измерва силата на тока, която възниква между сондата на микроскопа и изследваната проба, а стойността на силите на привличане, които възникват между тях, тоест слаби нехимични взаимодействия - ван дер Ваалсови сили.
Първият работещ модел на AFM беше сравнително прост. Изследователите преместиха диамантена сонда върху повърхността на пробата, свързана с гъвкав микромеханичен сензор - конзола от златно фолио (между сондата и атома възниква привличане, конзолата се огъва в зависимост от силата на привличане и деформира пиезоелектрика). Степента на огъване на конзолата се определя с помощта на пиезоелектрични сензори - по подобен начин жлебовете и ръбовете на винилова плоча се превръщат в аудиозапис. Дизайнът на атомно-силовия микроскоп му позволява да открива привличащи сили до 10-18 нютона. Година след създаването на работещ прототип, изследователите успяха да получат изображение на топографията на графитната повърхност с разделителна способност от 2,5 ангстрьома.
През трите десетилетия, изминали оттогава, AFM се използва за изследване на почти всеки химичен обект – от повърхността на керамичен материал до живи клетки и отделни молекули, както в статично, така и в динамично състояние. Атомно-силовата микроскопия се превърна в работния кон на химиците и учените по материали, а броят на произведенията, в които се използва този метод, непрекъснато нараства (фиг. 2).
През годините изследователите са избирали условия както за контактно, така и за безконтактно изследване на обекти с помощта на атомно-силова микроскопия. Контактният метод, описан по-горе, се основава на взаимодействието на Ван дер Ваалс между конзолата и повърхността. При работа в безконтактен режим пиезовибраторът възбужда трептенията на сондата с определена честота (най-често резонансна). Силата, действаща от повърхността, води до факта, че както амплитудата, така и фазата на колебанията на сондата се променят. Въпреки някои недостатъци на безконтактния метод (на първо място, чувствителност към външен шум), именно този метод изключва ефекта на сондата върху изследвания обект и следователно е по-интересен за химиците.
Жив на сонди, гони връзки
Атомно-силовата микроскопия става безконтактна през 1998 г. благодарение на работата на ученика на Биниг, Франц Йозеф Гизиб. Именно той предложи използването на кварцов референтен осцилатор със стабилна честота като конзола. След 11 години изследователи от лабораторията на IBM в Цюрих предприеха друга модификация на безконтактния AFM: ролята на сонда-сензор се изпълняваше не от остър диамантен кристал, а от една молекула - въглероден окис. Това направи възможно преминаването към субатомна разделителна способност, както демонстрира Лео Грос от Цюрихското подразделение на IBM. През 2009 г. с помощта на AFM той направи видими не атоми, а химични връзки, като получи доста ясна и недвусмислено четлива „картина“ за молекулата на пентацена (фиг. 3; наука, 2009, 325, 5944, 1110–1114, doi: 10.1126/science.1176210).
Убеден, че химическото свързване може да се види с AFM, Лео Грос решава да отиде по-далеч и да използва атомно-силовия микроскоп за измерване на дължините и реда на връзките – ключови параметри за разбиране на химическата структура, а оттам и на свойствата на веществата.
Припомнете си, че разликата в поръчките за облигации показва различни значенияелектронна плътност и различни междуатомни разстояния между два атома (просто казано, двойната връзка е по-къса от единичната връзка). При етан редът на връзката въглерод-въглерод е един, при етилена е два, а в класическата ароматна молекула, бензен, редът на връзката въглерод-въглерод е по-голям от един, но по-малък от два и се счита за 1,5.
Определянето на реда на връзката е много по-трудно, когато се преминава от прости ароматни системи към равнинни или обемисти поликондензирани пръстенни системи. По този начин редът на връзките в фулерените, състоящи се от кондензирани пет- и шестчленни въглеродни цикли, може да приеме всяка стойност от една до две. Същата несигурност теоретично се отнася и за полицикличните ароматни съединения.
През 2012 г. Лео Грос, заедно с Фабиан Мон, показаха, че атомно-силов микроскоп с метална безконтактна сонда, модифицирана с въглероден оксид, може да измерва разликите в разпределението на зарядите между атомите и междуатомните разстояния - тоест параметри, свързани с реда на връзката ( наука, 2012, 337, 6100, 1326–1329, doi: 10.1126/science.1225621).
За да направят това, те изучават два вида химични връзки във фулерена - въглерод-въглеродна връзка, обща за два шестчленни въглерод-съдържащи цикъла на C 60 фулерен, и въглерод-въглеродна връзка, обща за пет- и шест-членни цикли. Атомно-силов микроскоп показа, че кондензацията на шестчленни пръстени води до връзка, която е по-къса и от по-висок порядък от кондензацията на C 6 и C 5 циклични фрагменти. Изследването на особеностите на химичното свързване в хексабензокоронен, където още шест цикъла С6 са симетрично разположени около централния С6 цикъл, потвърди резултатите от квантово химическо моделиране, според които редът на връзката N-N централнопръстени (на фиг. 4 буквата и) трябва да бъде по-голямо от връзките, които обединяват този пръстен с периферни цикли (на фиг. 4 буквата j). Подобни резултати са получени и за по-сложен полицикличен ароматен въглеводород, съдържащ девет шестчленни пръстена.
Редът на връзките и междуатомните разстояния, разбира се, представляваха интерес за органичните химици, но това беше по-важно за тези, които се занимаваха с теорията на химичните връзки, прогнозирането на реактивността и изучаването на механизмите на химичните реакции. Независимо от това, както синтетичните химици, така и специалистите в изследването на структурата на природните съединения бяха изненадани: оказа се, че атомно-силовият микроскоп може да се използва за установяване на структурата на молекулите по същия начин като ЯМР или IR спектроскопията. Освен това дава недвусмислен отговор на въпроси, с които тези методи не могат да се справят.
От фотография до кино
През 2010 г. същите Лео Грос и Райнер Ебел успяха да установят недвусмислено структурата на естествено съединение - цефаландол А, изолирано от бактерия Dermacoccus abyssi(Химия на природата, 2010, 2, 821–825, doi: 10.1038/nchem.765). Съставът на цефаландол А преди това беше определен с помощта на масспектрометрия, но анализът на NMR спектрите на това съединение не даде еднозначен отговор на въпроса за неговата структура: бяха възможни четири варианта. Използвайки атомно-силов микроскоп, изследователите незабавно изключиха две от четирите структури, а от останалите две правилен изборнаправено чрез сравняване на резултатите, получени чрез AFM и квантово химическо моделиране. Задачата се оказа трудна: за разлика от пентацена, фулерена и коронените, цефаландол А съдържа не само въглеродни и водородни атоми, освен това тази молекула няма равнина на симетрия (фиг. 5) - но този проблем също беше решен.
Допълнително потвърждение, че атомно-силовият микроскоп може да се използва като аналитичен инструмент, дойде от групата на Оскар Кустанц, тогава в Инженерното училище на университета в Осака. Той показа как, използвайки AFM, да прави разлика между атоми, които се различават един от друг много по-малко от въглерод и водород ( природата, 2007, 446, 64–67, doi: 10.1038/nature05530). Кустанц изследва повърхността на сплав, състояща се от силиций, калай и олово с известно съдържание на всеки елемент. В резултат на многобройни експерименти той установява, че силата, която възниква между върха на AFM сондата и различните атоми се различава (фиг. 6). Например, най-силното взаимодействие се наблюдава при сондиране на силиций, а най-слабото взаимодействие се наблюдава при сондиране на олово.
Предполага се, че в бъдеще резултатите от атомно-силовата микроскопия за разпознаване на отделни атоми ще се обработват по същия начин, както резултатите от ЯМР - чрез сравняване на относителни стойности. Тъй като точният състав на сензорната игла е труден за контролиране, абсолютната стойност на силата между сензора и различните повърхностни атоми зависи от експерименталните условия и марката на устройството, но съотношението на тези сили за всеки състав и форма на сензорът остава постоянен за всеки химичен елемент.
През 2013 г. се появиха първите примери за използване на AFM за получаване на изображения на отделни молекули преди и след химични реакции: от продуктите и междинните продукти на реакцията се създава „фотосет“, който след това може да бъде монтиран във вид документален филм ( наука, 2013, 340, 6139, 1434–1437; doi: 10.1126/science.1238187).
Феликс Фишър и Майкъл Кроми от Калифорнийския университет в Бъркли нанасят сребро върху повърхността 1,2-бис[(2-етинилфенил)етинил]бензен, изобразява молекулите и загрява повърхността, за да започне циклизация. Половината от първоначалните молекули се превърнаха в полициклични ароматни структури, състоящи се от слети пет шестчленни и два петчленни пръстена. Друга четвърт от молекулите образуват структури, състоящи се от четири шестчленни цикъла, свързани чрез един четиричленен цикъл и два петчленни цикъла (фиг. 7). Останалите продукти са олигомерни структури и в незначително количество полициклични изомери.
Тези резултати два пъти изненадаха изследователите. Първо, по време на реакцията се образуват само два основни продукта. Второ, тяхната структура предизвика изненада. Фишър отбелязва, че химическата интуиция и опит са направили възможно да се нарисуват десетки възможни реакционни продукти, но нито един от тях не съответства на съединенията, които се образуват на повърхността. Възможно е взаимодействието на изходните вещества със субстрата да е допринесло за възникването на нетипични химични процеси.
Естествено, след първите сериозни успехи в изследването на химичните връзки, някои изследователи решиха да използват AFM, за да наблюдават по-слаби и по-малко проучени междумолекулни взаимодействия, по-специално водородната връзка. Работата в тази област обаче тепърва започва и резултатите им са противоречиви. И така, в някои публикации се съобщава, че атомно-силовата микроскопия е направила възможно наблюдаването на водородната връзка ( наука, 2013, 342, 6158, 611–614, doi: 10.1126/science.1242603), други твърдят, че това са само артефакти поради конструктивните характеристики на устройството, и експериментални резултатитрябва да се тълкува по-внимателно Писма за физически преглед, 2014, 113, 186102, doi:10.1103/PhysRevLett.113.186102). Може би окончателният отговор на въпроса дали е възможно да се наблюдават водородни и други междумолекулни взаимодействия с помощта на атомно-силова микроскопия ще бъде получен още през това десетилетие. За да направите това, е необходимо да увеличите резолюцията на AFM поне няколко пъти и да научите как да получавате изображения без шум ( Физически преглед Б, 2014, 90, 085421, doi:10.1103/PhysRevB.90.085421).
Синтез на една молекула
В сръчни ръце, както STM, така и AFM се трансформират от инструменти, способни да изучават материята, в инструменти, способни насочено да променят структурата на материята. С помощта на тези устройства вече е възможно да се получат "най-малките химически лаборатории", в които вместо колба се използва субстрат, а вместо молове или милимоли реагенти се използват отделни молекули.
Например, през 2016 г. международен екип от учени, ръководен от Такаши Кумагай, използва безконтактна атомно-силова микроскопия, за да прехвърли молекулата на порфицена от една от нейните форми в друга ( Химия на природата, 2016, 8, 935–940, doi: 10.1038/nchem.2552). Порфиценът може да се разглежда като модификация на порфирина, чийто вътрешен цикъл съдържа четири азотни атома и два водородни атома. Вибрациите на AFM сондата предават достатъчно енергия на молекулата на порфицена, за да прехвърли тези водороди от един азотен атом към друг и в резултат на това се получава „огледално отражение” на тази молекула (фиг. 8).
Групата, ръководена от неуморния Лео Грос, също показа, че е възможно да се инициира реакцията на една-единствена молекула – те превърнаха дибромоантрацена в десетчленен цикличен диин (фиг. 9; Химия на природата, 2015, 7, 623–628, doi: 10.1038/nchem.2300). За разлика от Kumagai et al., те са използвали сканиращ тунелен микроскоп за активиране на молекулата и резултатът от реакцията е наблюдаван с помощта на атомно-силов микроскоп.
Комбинираното използване на сканиращ тунелен микроскоп и микроскоп с атомна сила дори направи възможно получаването на молекула, която не може да бъде синтезирана с помощта на класически техники и методи ( Природни нанотехнологии, 2017, 12, 308–311, doi: 10.1038/nnano.2016.305). Този триангулен е нестабилен ароматен дирадикал, чието съществуване е предсказано преди шест десетилетия, но всички опити за синтез са неуспешни (фиг. 10). Химиците от групата на Нико Павличек са получили желаното съединение чрез отстраняване на два водородни атома от неговия предшественик с помощта на STM и потвърждаване на синтетичния резултат с помощта на AFM.
Предполага се, че броят на работите, посветени на приложението на атомно-силовата микроскопия в органичната химия, ще продължи да расте. В момента все повече учени се опитват да повторят на повърхността на реакцията добре познатата "химия на разтвора". Но може би синтетичните химици ще започнат да възпроизвеждат в разтвор онези реакции, които първоначално са били проведени на повърхността с помощта на AFM.
От неживо към живо
Конзолите и сондите на атомно-силовите микроскопи могат да се използват не само за аналитични изследвания или синтез на екзотични молекули, но и за решаване на приложни задачи. Вече са известни случаи на използване на AFM в медицината, например за ранна диагностика на рак и тук пионерът е същият Кристофър Гербер, който има пръст в разработването на принципа на атомно-силовата микроскопия и създаването на AFM.
Така Гербер успява да научи AFM да определя точковата мутация на рибонуклеинова киселина в меланома (върху материала, получен в резултат на биопсия). За да направите това, златната конзола на атомно-силовия микроскоп беше модифицирана с олигонуклеотиди, които могат да влязат в междумолекулно взаимодействие с РНК, като силата на това взаимодействие все още може да бъде измерена поради пиезоелектричния ефект. Чувствителността на AFM сензора е толкова висока, че вече се използва за изследване на ефективността на популярния метод за редактиране на генома CRISPR-Cas9. Той обединява технологии, създадени от различни поколения изследователи.
Да перифразирам една класика политически теории, можем да кажем, че вече виждаме неограничените възможности и неизчерпаемост на атомно-силовата микроскопия и трудно можем да си представим какво ни предстои във връзка с по-нататъшното развитие на тези технологии. Но дори и днес сканиращият тунелен микроскоп и атомно-силовият микроскоп ни дават възможност да видим атомите и да ги докоснем. Можем да кажем, че това не е само продължение на очите ни, което ни позволява да надникнем в микрокосмоса на атомите и молекулите, но и нови очи, нови пръсти, които могат да докоснат този микрокосмос и да го контролират.
Виждали ли сте някога атоми? Ние сме един от тях, така че всъщност да. Но виждали ли сте някога един единствен атом? Наскоро невероятна снимка само на един атом, уловен от електрически полета, спечели престижен конкурс за научна фотография, като получи най-високата награда. Снимката влезе в конкурса под съвсем логичното име “Single Atom in Ion Trap” (One atom in an ion trap), а неин автор е Дейвид Надлингер от Оксфордския университет.
Британският изследователски съвет по инженерни и физически науки (EPSRC) обяви победителите в своя национален конкурс за научна фотография със снимка на един атом, който печели голямата награда.
На снимката атомът е представен като мъничко светлинно петънце между два метални електрода, разположени на разстояние около 2 мм.
Надпис на снимката:
"В центъра на снимката се вижда малка ярка точка - единичен положително зареден стронциев атом. Той се държи почти неподвижно от електрически полета, излъчвани от заобикалящите го метални електроди. Когато е осветен от синьо-виолетов лазер, атомът бързо поглъща и повторно излъчват светлинни частици, поради което конвенционален фотоапарат би могъл да го снима с дълга експозиция."
„Снимката е направена през прозореца на свръхвисоката вакуумна камера, в която се намира капанът. Лазерно охладените атомни йони са отлична база за изучаване и използване уникални свойстваквантова физика. Те се използват за създаване на изключително прецизни часовници или, в този случай, като частици за изграждане на квантовите компютри на бъдещето, които могат да решат проблеми, които засенчват днешните дори най-мощните суперкомпютри."
Ако все още не сте успели да разгледате атома, ето го
„Идеята, че можете да видите единичен атом с просто око, ме порази до сърцевината, като един вид мост между малкия квантов свят и нашата макроскопска реалност“, каза Дейвид Надлингер.
Както знаете, всичко материално във Вселената се състои от атоми. Атомът е най-малката единица материя, която носи своите свойства. От своя страна структурата на атома се състои от магическа троица от микрочастици: протони, неутрони и електрони.
Освен това всяка от микрочастиците е универсална. Тоест не можете да намерите два различни протона, неутрони или електрони в света. Всички те са абсолютно сходни един с друг. И свойствата на атома ще зависят само от количествения състав на тези микрочастици обща структураатом.
Например, структурата на водороден атом се състои от един протон и един електрон. Следващият по сложност, хелиевият атом се състои от два протона, два неутрона и два електрона. Литиевият атом се състои от три протона, четири неутрона и три електрона и т.н.
Структура на атомите (отляво надясно): водород, хелий, литий
Атомите се комбинират в молекули, а молекулите се комбинират в вещества, минерали и организми. Молекулата на ДНК, която е основата на целия живот, е структура, сглобена от същите три магически градивни елемента на Вселената като камъка, лежащ на пътя. Въпреки че тази структура е много по-сложна.
Дори повече невероятни фактиотворени, когато се опитаме да разгледаме по-отблизо пропорциите и структурата на атомната система. Известно е, че атомът се състои от ядро и електрони, движещи се около него по траектория, която описва сфера. Тоест, дори не може да се нарече движение в обичайния смисъл на думата. Електронът е по-скоро разположен навсякъде и непосредствено в тази сфера, създавайки електронен облак около ядрото и образувайки електромагнитно поле.
Схематично представяне на структурата на атома
Ядрото на атома се състои от протони и неутрони и почти цялата маса на системата е концентрирана в него. Но в същото време самото ядро е толкова малко, че ако увеличите радиуса му до мащаб от 1 см, тогава радиусът на цялата структура на атома ще достигне стотици метри. По този начин всичко, което възприемаме като плътна материя, се състои от повече от 99% от енергийните връзки само между физическите частици и по-малко от 1% от самите физически форми.
Но какви са тези физически форми? От какво са направени и от какъв материал са? За да отговорим на тези въпроси, нека разгледаме по-отблизо структурите на протоните, неутроните и електроните. И така, слизаме още една стъпка в дълбините на микрокосмоса - до нивото на субатомните частици.
От какво е направен електронът?
Най-малката частица на атома е електрон. Електронът има маса, но няма обем. В научната гледна точка електронът не се състои от нищо, а е безструктурна точка.
Електронът не може да се види под микроскоп. Наблюдава се само под формата на електронен облак, който изглежда като размита сфера около атомното ядро. В същото време е невъзможно да се каже с точност къде се намира електронът в даден момент от време. Устройствата са способни да улавят не самата частица, а само нейната енергийна следа. Същността на електрона не е заложена в понятието за материя. Това е по-скоро като празна форма, която съществува само в и чрез движение.
Все още не е открита структура в електрона. Това е същата точкова частица като кванта енергия. Всъщност електронът е енергия, но това е неговата по-стабилна форма от тази, представена от фотони на светлината.
В момента електронът се счита за неделим. Това е разбираемо, защото е невъзможно да се раздели нещо, което няма обем. Въпреки това, вече има разработки в теорията, според която съставът на електрона съдържа триединство от такива квазичастици като:
- Орбитон – съдържа информация за орбиталното положение на електрона;
- Спинон - отговорен за въртенето или въртящия момент;
- Холон – носи информация за заряда на електрона.
Въпреки това, както виждаме, квазичастиците нямат абсолютно нищо общо с материята и носят само информация.
Снимки на атоми на различни вещества в електронен микроскоп
Интересното е, че един електрон може да абсорбира енергийни кванти, като светлина или топлина. В този случай атомът преминава на ново енергийно ниво и границите на електронния облак се разширяват. Случва се също така енергията, погълната от електрона, да е толкова голяма, че той може да изскочи от атомната система и да продължи движението си като независима частица. В същото време той се държи като фотон на светлината, тоест сякаш престава да бъде частица и започва да проявява свойствата на вълна. Това е доказано в експеримент.
Експериментът на Янг
В хода на експеримента поток от електрони се насочва към екран с два прореза, изрязани в него. Преминавайки през тези процепи, електроните се сблъскаха с повърхността на друг прожекционен екран, оставяйки своя отпечатък върху него. В резултат на тази „бомбардировка“ от електрони, на прожекционния екран се появи интерференционен модел, подобен на този, който би се появил, ако вълните, но не и частиците, преминават през два процепа.
Такъв модел възниква поради факта, че вълната, преминаваща между двата слота, се разделя на две вълни. В резултат на по-нататъшно движение вълните се припокриват, а в някои области се компенсират взаимно. В резултат на това получаваме много ивици на прожекционния екран, вместо една, както би било, ако електронът се държеше като частица.
Структурата на ядрото на атома: протони и неутрони
Протоните и неутроните съставляват ядрото на атома. И въпреки факта, че в общия обем ядрото заема по-малко от 1%, именно в тази структура е концентрирана почти цялата маса на системата. Но за сметка на структурата на протоните и неутроните, физиците са разделени в мненията и в момента има две теории наведнъж.
- Теория №1 - Стандарт
Стандартният модел казва, че протоните и неутроните са съставени от три кварка, свързани с облак от глуони. Кварките са точкови частици, точно като квантите и електроните. А глуоните са виртуални частици, които осигуряват взаимодействието на кварките. В природата обаче не са открити нито кварки, нито глуони, така че този модел е обект на остра критика.
- Теория №2 - Алтернатива
Но според алтернативната теория на единното поле, разработена от Айнщайн, протонът, подобно на неутрона, както всяка друга частица от физическия свят, е електромагнитно поле, въртящо се със скоростта на светлината.
Електромагнитни полета на човека и планетата
Какви са принципите на структурата на атома?
Всичко в света – фино и плътно, течно, твърдо и газообразно – е само енергийните състояния на безброй полета, които проникват в пространството на Вселената. Колкото по-високо е енергийното ниво в полето, толкова по-тънко и по-малко забележимо е то. Колкото по-ниско е енергийното ниво, толкова по-стабилно и осезаемо е то. В структурата на атома, както и в структурата на всяка друга единица на Вселената, се крие взаимодействието на такива полета – различни по енергийна плътност. Оказва се, че материята е само илюзия на ума.
Всъщност авторът на RFC в своите „размисли“ стигна дотам, че е време да извика тежки контрааргументи, а именно данните от експеримента на японски учени за фотографиране на водородния атом, който стана известен на 4 ноември 2010 г. Картината ясно показва атомната форма, потвърждаваща както дискретността, така и закръглеността на атомите: „Група учени и специалисти от университета в Токио заснеха единичен водороден атом за първи път в света - най-лекият и най-малкият от всички атоми, новини докладват агенциите.
Снимката е направена с един от най-новите технологии– специален сканиращ електронен микроскоп. С помощта на това устройство, заедно с водороден атом, е заснет и отделен ванадиев атом.
Диаметърът на водороден атом е една десет милиарда от метъра. По-рано се смяташе, че е почти невъзможно да се снима с модерно оборудване. Водородът е най-разпространеното вещество. Делът му в цялата Вселена е приблизително 90%.
Според учените по същия начин могат да бъдат уловени и други елементарни частици. „Сега можем да видим всички атоми, които изграждат нашия свят“, каза професор Юичи Икухара. „Това е пробив към новите форми на производство, когато в бъдеще ще бъде възможно да се вземат решения на ниво отделни атоми и молекули.
Водороден атом, условни цветове
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i21/e213001
Група учени от Германия, Гърция, Холандия, САЩ и Франция направиха снимки на водородния атом. Тези изображения, получени с фотойонизационен микроскоп, показват разпределението на електронната плътност, което напълно съвпада с резултатите от теоретичните изчисления. Работата на международната група е представена на страниците на Physical Review Letters.
Същността на метода на фотойонизация е последователната йонизация на водородните атоми, тоест отстраняването на електрон от тях поради електромагнитно облъчване. Отделените електрони се насочват към чувствителната матрица през положително зареден пръстен, а позицията на електрона в момента на сблъсък с матрицата отразява позицията на електрона в момента на йонизация на атома. Зареденият пръстен, който отклонява електроните настрани, играе ролята на леща и с негова помощ изображението се увеличава милиони пъти.
Този метод, описан през 2004 г., вече е бил използван за правене на „снимки“ на отделни молекули, но физиците са отишли по-далеч и са използвали фотойонизационен микроскоп за изследване на водородни атоми. Тъй като удрянето на един електрон дава само една точка, изследователите натрупват около 20 000 отделни електрона от различни атоми и осредняват изображението на електронните обвивки.
Според законите на квантовата механика, електронът в атома сам по себе си няма определена позиция. Само когато един атом взаимодейства с външната среда, електрон с една или друга вероятност се появява в определен квартал на атомното ядро: областта, в която вероятността за намиране на електрон е максимална, се нарича електронна обвивка. Новите изображения показват разлики между атоми с различни енергийни състояния; учените успяха да демонстрират визуално формата на електронните обвивки, предсказани от квантовата механика.
С помощта на други инструменти, сканиращи тунелни микроскопи, отделните атоми могат не само да се видят, но и да се преместят на правилното място. Преди около месец тази техника позволи на инженерите на IBM да нарисуват карикатура, всеки кадър от който е съставен от атоми: подобни художествени експерименти нямат никакъв практически ефект, но демонстрират фундаменталната възможност за манипулиране на атоми. За приложни цели това вече не е атомно сглобяване, а химични процеси със самоорганизация на наноструктури или самоограничаване на растежа на моноатомни слоеве върху субстрат.
Да опитаме. Не мисля, че всичко написано по-долу е напълно вярно и можеше да пропусна нещо, но анализът на съществуващите отговори на подобни въпроси и моите собствени мисли се подредиха така:
Вземете водороден атом: един протон и един електрон в неговата орбита.
Радиусът на водороден атом е просто радиусът на орбитата на неговия електрон. В природата той е равен на 53 пикометра, тоест 53 × 10^-12 метра, но искаме да го увеличим до 30 × 10^-2 метра - около 5 милиарда пъти.
Диаметърът на протона (тоест нашето атомно ядро) е 1,75×10^−15 м. Ако го увеличите до желаните размери, той ще бъде с размери 1×10^−5 метра, тоест една стотна от един милиметър. Не се различава с просто око.
Нека по-добре да увеличим протона веднага до размера на грахово зърно. Тогава орбитата на електрона ще бъде радиусът на футболно игрище.
Протонът ще бъде област с положителен заряд. Състои се от три кварка, които са около хиляда пъти по-малки от него – определено няма да ги видим. Има мнение, че ако този хипотетичен обект се поръси с магнитни чипове, той ще се събере около центъра в сферичен облак.
Електронът няма да се вижда. Никоя топка няма да лети около атомното ядро, "орбитата" на електрона е просто област, в различни точки на която електронът може да бъде разположен с различни вероятности. Можете да си представите това като сфера с диаметър на стадион около нашето грахово зърно. В произволни точки вътре в тази сфера се появява отрицателен електрически заряд и моментално изчезва. Освен това го прави толкова бързо, че дори във всеки един момент от време няма смисъл да се говори за конкретното му местоположение... да, неразбираемо е. Просто казано, изобщо не "изглежда".
Интересно е между другото, че като увеличим атома до макроскопични размери, се надяваме да го „видим“ – тоест да засечем отразената от него светлина. Всъщност атомите с обикновен размер не отразяват светлината; в атомен мащаб говорим за взаимодействия между електрони и фотони. Електронът може да абсорбира фотон и да премине към следващото енергийно ниво, може да излъчва фотон и т.н. С тази система, хипотетично увеличена до размера на футболно игрище, ще са необходими твърде много предположения, за да се предскаже поведението на тази невъзможна структура: дали един фотон ще има същия ефект върху гигантски атом? Необходимо ли е да го „поглеждаме“, бомбардирайки го със специални гигантски фотони? Ще излъчва ли гигантски фотони? Всички тези въпроси, строго погледнато, са безсмислени. Мисля обаче, че е безопасно да се каже, че атомът няма да отразява светлината по начина, по който би го направила една метална топка.
