Trurls sāka ķert atomus, skrāpēt no tiem elektronus, mīcīt protonus tā, ka tikai pirksti ņirbēja, sagatavoja protonu mīklu, lika tai apkārt elektronus un - nākamajam atomam; Nebija pagājušas pat piecas minūtes, līdz viņš turēja rokās tīra zelta kluci: viņš pasniedza to viņam uz purna, un viņa, izmēģinājusi kluci uz zoba un pamāja ar galvu, sacīja:
- Un tas tiešām ir zelts, bet es nevaru dzīties pēc atomiem tā. Es esmu pārāk liels.
- Viss kārtībā, mēs jums iedosim īpašu ierīci! – Trurls viņu pierunāja.
Staņislavs Lems, Kiberiāde
Vai, izmantojot mikroskopu, ir iespējams redzēt atomu, atšķirt to no cita atoma, novērot ķīmiskās saites iznīcināšanu vai veidošanos un redzēt, kā viena molekula pārvēršas citā? Jā, ja tas nav vienkāršs mikroskops, bet gan atomu spēka mikroskops. Un jums nav jāierobežo sevi ar novērojumiem. Mēs dzīvojam laikā, kad atomu spēka mikroskops vairs nav tikai logs uz mikropasauli. Mūsdienās šo instrumentu var izmantot, lai pārvietotu atomus, sarautu ķīmiskās saites, pētītu atsevišķu molekulu stiepes robežu un pat pētītu cilvēka genomu.
Burti, kas izgatavoti no ksenona pikseļiem
Aplūkot atomus ne vienmēr bija tik viegli. Atomu spēka mikroskopa vēsture aizsākās 1979. gadā, kad Gerds Karls Binigs un Heinrihs Rors, strādājot IBM pētniecības centrā Cīrihē, sāka radīt instrumentu, kas ļautu pētīt virsmas ar atomu izšķirtspēju. Lai nāktu klajā ar šādu ierīci, pētnieki nolēma izmantot tuneļa efektu – elektronu spēju pārvarēt šķietami nepārvaramas barjeras. Ideja bija noteikt atomu stāvokli paraugā, izmērot tuneļa strāvas stiprumu, kas rodas starp skenēšanas zondi un pētāmo virsmu.
Binigam un Roreram tas izdevās, un viņi iegāja vēsturē kā skenējošā tuneļa mikroskopa (STM) izgudrotāji, un 1986. gadā viņi saņēma Nobela prēmiju fizikā. Skenējošais tunelēšanas mikroskops ir veicis īstu revolūciju fizikā un ķīmijā.
1990. gadā Dons Eiglers un Erhards Šveiters, strādājot IBM pētniecības centrā Kalifornijā, parādīja, ka STM var izmantot ne tikai atomu novērošanai, bet arī manipulēšanai ar tiem. Izmantojot skenējošo tuneļmikroskopa zondi, viņi izveidoja, iespējams, populārāko attēlu, kas simbolizē ķīmiķu pāreju uz darbu ar atsevišķiem atomiem – viņi uz niķeļa virsmas uzzīmēja trīs burtus ar 35 ksenona atomiem (1. att.).
Binigs negulējās uz lauriem – gadā, kad viņš saņēma Nobela prēmija Kopā ar Kristoferu Gerberu un Kelvinu Kveitu, kas arī strādāja IBM Cīrihes pētniecības centrā, viņš sāka darbu pie citas ierīces mikropasaules pētīšanai, kurai nebija STM raksturīgo trūkumu. Fakts ir tāds, ka ar skenējošā tuneļa mikroskopa palīdzību nebija iespējams izpētīt dielektriskās virsmas, bet tikai vadītājus un pusvadītājus, un, lai analizētu pēdējos, bija nepieciešams izveidot ievērojamu vakuumu starp tiem un mikroskopa zondi. Saprotot, ka jaunas ierīces izveide ir vienkāršāka nekā esošās jaunināšana, Binigs, Gerbers un Kveits izgudroja atomu spēka mikroskopu jeb AFM. Tās darbības princips ir radikāli atšķirīgs: lai iegūtu informāciju par virsmu, tie mēra nevis strāvas stiprumu, kas rodas starp mikroskopa zondi un pētāmo paraugu, bet gan to pievilcības spēku vērtību, kas rodas starp tiem, tas ir, vājo. neķīmiskas mijiedarbības – van der Vālsa spēki.
Pirmais AFM darba modelis bija salīdzinoši vienkāršs. Pētnieki pārvietoja dimanta zondi pa parauga virsmu, kas savienota ar elastīgu mikromehānisko sensoru - konsoli, kas izgatavota no zelta folijas (starp zondi un atomu rodas pievilkšanās, konsoles izliecas atkarībā no pievilkšanas spēka un deformē pjezoelektrisko) . Konsoles lieces pakāpe tika noteikta, izmantojot pjezoelektriskos sensorus - līdzīgi kā vinila plates rievas un izciļņi tiek pārvērsti audio ierakstā. Atomu spēka mikroskopa dizains ļāva tam noteikt pievilcības spēkus līdz 10–18 ņūtoniem. Gadu pēc darba prototipa izveides pētniekiem izdevās iegūt grafīta virsmas topogrāfijas attēlu ar 2,5 angstremu izšķirtspēju.
Trīs gadu desmitu laikā, kas pagājuši kopš tā laika, AFM ir izmantots, lai pētītu gandrīz jebkuru ķīmisku objektu - no keramikas materiāla virsmas līdz dzīvām šūnām un atsevišķām molekulām gan statiskā, gan dinamiskā stāvoklī. Atomu spēka mikroskopija ir kļuvusi par ķīmiķu un materiālu zinātnieku darba zirgu, un pētījumu skaits, izmantojot šo metodi, nepārtraukti pieaug (2. att.).
Gadu gaitā pētnieki ir izvēlējušies apstākļus gan kontakta, gan bezkontakta objektu izpētei, izmantojot atomu spēka mikroskopiju. Saskares metode ir aprakstīta iepriekš, un tās pamatā ir van der Vāla mijiedarbība starp konsoli un virsmu. Darbojoties bezkontakta režīmā, pjezovibrators ierosina zondes svārstības noteiktā frekvencē (visbiežāk rezonansē). Spēks, kas darbojas no virsmas, izraisa gan zondes svārstību amplitūdas, gan fāzes izmaiņas. Neskatoties uz dažiem bezkontakta metodes trūkumiem (galvenokārt jutība pret ārējo troksni), tā novērš zondes ietekmi uz pētāmo objektu un tāpēc ir interesantāka ķīmiķiem.
Dzīvīgs uz zondēm, meklē savienojumus
Atomu spēka mikroskopija kļuva bezkontakta 1998. gadā, pateicoties Binniga studenta Franča Jozefa Gissibla darbam. Tas bija viņš, kurš ierosināja izmantot stabilas frekvences kvarca atsauces oscilatoru kā konsoli. 11 gadus vēlāk pētnieki no IBM laboratorijas Cīrihē veica vēl vienu bezkontakta AFM modifikāciju: sensora zondes lomu spēlēja nevis ass dimanta kristāls, bet gan viena molekula - oglekļa monoksīds. Tas ļāva pāriet uz subatomisko izšķirtspēju, kā to pierādīja Leo Gross no IBM Cīrihes departamenta. 2009. gadā, izmantojot AFM, viņš padarīja redzamus nevis atomus, bet ķīmiskās saites, iegūstot diezgan skaidru un nepārprotami salasāmu “attēlu” pentacēna molekulai (3. att.; Zinātne, 2009, 325, 5944, 1110–1114, doi: 10.1126/science.1176210).
Būdams pārliecināts, ka ķīmiskās saites var redzēt, izmantojot AFM, Leo Gross nolēma iet tālāk un izmantot atomu spēka mikroskopu, lai izmērītu saišu garumus un secības - galvenos parametrus, lai izprastu ķīmisko struktūru un līdz ar to arī vielu īpašības.
Atcerieties, ka savienojumu secības atšķirība norāda dažādas nozīmes elektronu blīvums un dažādi starpatomu attālumi starp diviem atomiem (vienkāršā izteiksmē dubultsaite ir īsāka nekā viena saite). Etānā oglekļa-oglekļa saites secība ir viena, etilēnā tā ir divas, un klasiskajā aromātiskajā molekulā benzolā oglekļa-oglekļa saites secība ir lielāka par vienu, bet mazāka par divām, un to uzskata par 1,5.
Saites secības noteikšana ir daudz grūtāka, pārejot no vienkāršām aromātiskām sistēmām uz plakanām vai lielapjoma polikondensētām cikliskām sistēmām. Tādējādi saišu secība fullerēnās, kas sastāv no kondensētiem piecu un sešu locekļu oglekļa gredzeniem, var būt jebkura vērtība no viena līdz diviem. Tāda pati nenoteiktība teorētiski ir raksturīga policikliskajiem aromātiskajiem savienojumiem.
2012. gadā Leo Gross kopā ar Fabianu Mohn parādīja, ka atomu spēka mikroskops ar bezkontakta metāla zondi, kas modificēts ar oglekļa monoksīdu, var izmērīt atšķirības atomu lādiņu sadalījumā un starpatomu attālumos, tas ir, parametrus, kas saistīti ar saišu kārtību ( Zinātne, 2012, 337, 6100, 1326–1329, doi: 10.1126/science.1225621).
Lai to izdarītu, viņi pētīja divu veidu ķīmiskās saites fullerēnā - oglekļa-oglekļa saiti, kas ir kopīga diviem sešu locekļu oglekli saturošiem C60 fullerēna gredzeniem, un oglekļa-oglekļa saiti, kas ir kopīga piecu un sešu savienojumu gredzeniem. - locekļu gredzeni. Atomu spēka mikroskops ir parādījis, ka sešu locekļu gredzenu kondensācija rada saiti, kas ir īsāka un augstāka nekā ciklisko fragmentu C 6 un C 5 kondensācija. Ķīmiskās saites pazīmju izpēte heksabenzokoronēnā, kur ap centrālo C 6 gredzenu simetriski atrodas vēl seši C 6 gredzeni, apstiprināja kvantu ķīmiskās modelēšanas rezultātus, saskaņā ar kuriem saišu secība. N-N centrālais gredzeni (4. att. burts i) jābūt lielākam par saitēm, kas savieno šo gredzenu ar perifērajiem cikliem (4. attēlā burts j). Līdzīgi rezultāti tika iegūti sarežģītākam policikliskajam aromātiskajam ogļūdeņradim, kas satur deviņus sešu locekļu gredzenus.
Saistību secības un starpatomu attālumi, protams, interesēja organiskos ķīmiķus, taču tas bija svarīgāk tiem, kas pētīja ķīmisko saišu teoriju, prognozēja reaktivitāti un pētīja ķīmisko reakciju mehānismus. Taču gan sintētiskos ķīmiķus, gan speciālistus dabas savienojumu struktūras pētījumos gaidīja pārsteigums: izrādījās, ka ar atomu spēka mikroskopu var noteikt molekulu struktūru tāpat kā ar KMR vai IR spektroskopiju. Turklāt tas sniedz skaidru atbildi uz jautājumiem, kurus šīs metodes nevar atrisināt.
No fotogrāfijas līdz kino
2010. gadā tas pats Leo Gross un Rainers Ebels spēja nepārprotami noteikt dabīgā savienojuma - cefalandola A, kas izolēts no baktērijas, struktūru. Dermacoccus abyssi(Dabas ķīmija, 2010, 2, 821–825, doi: 10.1038/nchem.765). Cefalandola A sastāvs iepriekš tika noteikts, izmantojot masas spektrometriju, taču šī savienojuma KMR spektru analīze nesniedza skaidru atbildi uz jautājumu par tā struktūru: bija iespējami četri varianti. Izmantojot atomu spēka mikroskopu, pētnieki nekavējoties likvidēja divas no četrām struktūrām un no atlikušajām divām pareizā izvēle veikts, salīdzinot rezultātus, kas iegūti, izmantojot AFM un kvantu ķīmiskās simulācijas. Uzdevums izrādījās grūts: atšķirībā no pentacēna, fullerēna un koronēniem, cefalandols A satur ne tikai oglekļa un ūdeņraža atomus, turklāt šai molekulai nav simetrijas plaknes (5. att.) - taču arī šī problēma tika atrisināta.
Papildu apstiprinājumu tam, ka atomspēka mikroskopu var izmantot kā analītisku instrumentu, ieguva Oskara Kustanzas grupa, kas tajā laikā strādāja Osakas universitātes Inženieru skolā. Viņš parādīja, kā izmantot AFM, lai atšķirtu atomus, kas atšķiras viens no otra daudz mazāk nekā ogleklis un ūdeņradis ( Daba, 2007, 446, 64–67, doi: 10.1038/nature05530). Kustants pētīja sakausējuma virsmu, kas sastāv no silīcija, alvas un svina ar zināmu katra elementa saturu. Daudzu eksperimentu rezultātā viņš atklāja, ka spēks, kas rodas starp AFM zondes galu un dažādiem atomiem, atšķiras (6. att.). Piemēram, spēcīgākā mijiedarbība tika novērota, zondējot silīciju, un vājākā mijiedarbība tika novērota, zondējot svinu.
Tiek pieņemts, ka turpmāk atomu spēka mikroskopijas rezultāti atsevišķu atomu atpazīšanai tiks apstrādāti tāpat kā KMR rezultāti - salīdzinot relatīvās vērtības. Tā kā precīzu sensora gala sastāvu ir grūti kontrolēt, absolūtā spēka vērtība starp sensoru un dažādiem virsmas atomiem ir atkarīga no eksperimenta apstākļiem un ierīces markas, bet šo spēku attiecība jebkuram sastāvam un formai. sensors paliek nemainīgs katram ķīmiskajam elementam.
2013. gadā parādījās pirmie piemēri AFM izmantošanai atsevišķu molekulu attēlu iegūšanai pirms un pēc ķīmiskām reakcijām: tiek izveidota reakcijas produktu un starpproduktu “fotokopa”, ko pēc tam var montēt sava veida dokumentālā filmā ( Zinātne, 2013, 340, 6139, 1434–1437; doi: 10.1126/science.1238187 ).
Fēlikss Fišers un Maikls Kromijs no Kalifornijas Universitātes Bērklijā uzklāja uz virsmas sudrabu 1,2-bis[(2-etinilfenil)etinil]benzols, attēloja molekulas un karsēja virsmu, lai uzsāktu ciklizāciju. Puse no sākotnējām molekulām pārvērtās par policikliskām aromātiskām struktūrām, kas sastāv no pieciem sešu locekļu un diviem piecu locekļu gredzeniem. Vēl ceturtdaļa molekulu veidoja struktūras, kas sastāv no četriem sešlocekļu gredzeniem, kas savienoti caur vienu četrlocekļu gredzenu, un diviem pieclocekļu gredzeniem (7. att.). Pārējie produkti bija oligomēras struktūras un nelielos daudzumos policikliskie izomēri.
Šie rezultāti pētniekus pārsteidza divas reizes. Pirmkārt, reakcijas laikā izveidojās tikai divi galvenie produkti. Otrkārt, to struktūra bija pārsteidzoša. Fišers atzīmē, ka ķīmiskā intuīcija un pieredze ļāva uzzīmēt desmitiem iespējamo reakcijas produktu, taču neviens no tiem neatbilda savienojumiem, kas veidojās uz virsmas. Iespējams, ka netipisku ķīmisko procesu rašanos veicināja izejvielu mijiedarbība ar substrātu.
Protams, pēc pirmajiem nopietnajiem panākumiem ķīmisko saišu izpētē daži pētnieki nolēma izmantot AFM, lai novērotu vājākas un mazāk pētītas starpmolekulāras mijiedarbības, jo īpaši ūdeņraža saites. Tomēr darbs šajā jomā tikai sākas, un rezultāti ir pretrunīgi. Tādējādi dažas publikācijas ziņo, ka atomu spēka mikroskopija ļāva novērot ūdeņraža saiti ( Zinātne, 2013, 342, 6158, 611–614, doi: 10.1126/science.1242603), citi apgalvo, ka tie ir tikai artefakti ierīces dizaina iezīmju dēļ, un eksperimentālie rezultāti jāinterpretē rūpīgāk ( Fiziskās apskates vēstules, 2014, 113, 186102, doi: 10.1103/PhysRevLett.113.186102). Iespējams, jau šajā desmitgadē tiks iegūta galīgā atbilde uz jautājumu, vai ūdeņraža un citas starpmolekulāras mijiedarbības var novērot, izmantojot atomu spēka mikroskopiju. Lai to izdarītu, ir jāpalielina AFM izšķirtspēja vismaz vairākas reizes un jāiemācās iegūt attēlus bez traucējumiem ( Fiziskā apskate B, 2014, 90, 085421, doi: 10.1103/PhysRevB.90.085421).
Vienas molekulas sintēze
Prasmīgās rokās gan STM, gan AFM no ierīcēm, kas spēj pētīt vielu, pārvēršas par ierīcēm, kas spēj mērķtiecīgi mainīt matērijas struktūru. Ar šo ierīču palīdzību jau ir izdevies iegūt “mazākās ķīmiskās laboratorijas”, kurās kolbas vietā tiek izmantots substrāts, bet molu vai milimolu reaģējošo vielu vietā tiek izmantotas atsevišķas molekulas.
Piemēram, 2016. gadā starptautiska zinātnieku komanda Takaši Kumagai vadībā izmantoja bezkontakta atomu spēka mikroskopiju, lai pārveidotu porficēna molekulu no vienas formas citā ( Dabas ķīmija, 2016, 8, 935–940, doi: 10.1038/nchem.2552). Porficēnu var uzskatīt par porfirīna modifikāciju, kura iekšējā gredzenā ir četri slāpekļa atomi un divi ūdeņraža atomi. AFM zondes vibrācijas pārnesa pietiekami daudz enerģijas uz porficēna molekulu, lai pārnestu šos ūdeņražus no viena slāpekļa atoma uz otru, un rezultātā radās šīs molekulas “spoguļattēls” (8. att.).
Nenogurdināmā Leo Grosa vadītā komanda arī parādīja, ka ir iespējams ierosināt vienas molekulas reakciju – viņi pārveidoja dibromantracēnu par desmit locekļu ciklisku diīnu (9. att.; Dabas ķīmija, 2015, 7, 623–628, doi: 10.1038/nchem.2300). Atšķirībā no Kumagai et al., viņi izmantoja skenēšanas tunelēšanas mikroskopu, lai aktivizētu molekulu, un reakcijas rezultāts tika uzraudzīts, izmantojot atomu spēka mikroskopu.
Skenējošā tuneļmikroskopa un atomspēka mikroskopa apvienojums ir pat ļāvis iegūt molekulu, kuru nevar sintezēt, izmantojot klasiskās metodes un metodes ( Dabas nanotehnoloģijas, 2017, 12, 308–311, doi: 10.1038/nnano.2016.305). Tas ir trīsstūris, nestabils aromātisks diradikālis, kura eksistence tika prognozēta pirms sešām desmitgadēm, taču visi sintēzes mēģinājumi neizdevās (10. att.). Niko Pavliceka grupas ķīmiķi ieguva vēlamo savienojumu, no tā prekursora noņemot divus ūdeņraža atomus, izmantojot STM, un apstiprinot sintētisko rezultātu, izmantojot AFM.
Paredzams, ka turpinās pieaugt to darbu skaits, kas veltīti atomu spēka mikroskopijas izmantošanai organiskajā ķīmijā. Pašlaik arvien vairāk zinātnieku mēģina atkārtot reakcijas uz virsmas, kas ir labi zināmas "šķīdumu ķīmijā". Bet varbūt sintētiskie ķīmiķi sāks reproducēt šķīdumā reakcijas, kas sākotnēji tika veiktas uz virsmas, izmantojot AFM.
No nedzīva uz dzīvošanu
Atomu spēka mikroskopu konsoles un zondes var izmantot ne tikai analītiskiem pētījumiem vai eksotisku molekulu sintēzei, bet arī lietišķu problēmu risināšanai. Ir jau zināmi AFM izmantošanas gadījumi medicīnā, piemēram, agrīnai vēža diagnostikai, un te celmlauzis ir tas pats Kristofers Gerbers, kurš pielicis roku atomu spēka mikroskopijas principa izstrādē un AFM izveidē.
Tādējādi Gerbers varēja iemācīt AFM noteikt punktveida mutācijas ribonukleīnskābē melanomas gadījumā (uz materiāla, kas iegūts biopsijas rezultātā). Lai to izdarītu, atomu spēka mikroskopa zelta konsole tika modificēta ar oligonukleotīdiem, kas var nonākt starpmolekulārā mijiedarbībā ar RNS, un šīs mijiedarbības stiprumu var izmērīt arī pjezoelektriskā efekta dēļ. AFM sensora jutība ir tik augsta, ka viņi jau mēģina to izmantot, lai pētītu populārās genoma rediģēšanas metodes CRISPR-Cas9 efektivitāti. Šeit apvienojas dažādu pētnieku paaudžu radītās tehnoloģijas.
Pārfrāzējot vienu no klasiķiem politiskās teorijas, varam teikt, ka jau tagad redzam atomu spēka mikroskopijas neierobežotās iespējas un neizsmeļamību un diez vai spējam iedomāties, kas mūs sagaida saistībā ar tālākai attīstībaišīs tehnoloģijas. Bet šodien skenējošie tuneļmikroskopi un atomu spēka mikroskopi dod mums iespēju redzēt un pieskarties atomiem. Var teikt, ka tas ir ne tikai mūsu acu paplašinājums, kas ļauj ieskatīties atomu un molekulu mikrokosmosā, bet arī jaunas acis, jauni pirksti, kas spēj pieskarties un kontrolēt šo mikrokosmu.
Vai esat kādreiz redzējuši atomus? Jūs un es sastāvam no viņiem, tāpēc patiesībā jā. Bet vai jūs kādreiz esat redzējis vienu atomu? Nesen pārsteidzoša fotogrāfija, kurā redzams tikai viens atoms, kas fiksēts elektriskajos laukos, uzvarēja prestižā zinātniskās fotogrāfijas konkursā ar savu augstāko godu. Fotogrāfija konkursā iekļuva ar visai loģisku nosaukumu “Single Atom in Ion Trap”, un tās autors ir Deivids Nadlingers no Oksfordas universitātes.
Apvienotās Karalistes Inženierzinātņu un fizikālo zinātņu pētniecības padome (EPSRC) ir paziņojusi valsts zinātnisko fotogrāfiju konkursa uzvarētājus, un viena atoma fotoattēls saņem galveno balvu.
Fotoattēlā atoms ir attēlots kā mazs gaismas plankums starp diviem metāla elektrodiem, kas atrodas apmēram 2 mm attālumā viens no otra.
Fotoattēla paraksts:
"Fotogrāfijas centrā ir redzams neliels spilgts punkts – viens pozitīvi lādēts stroncija atoms. To gandrīz nekustīgu notur elektriskie lauki, kas izplūst no apkārtējiem metāla elektrodiem. Apgaismojot ar lāzeru zili violeta krāsa Atoms absorbē un atkārtoti izstaro gaismas daļiņas pietiekami ātri, lai parastā kamera varētu to fotografēt ar ilgu ekspozīciju.
"Fotogrāfija uzņemta caur īpaši augsta vakuuma kameras logu, kurā atrodas slazds. Ar lāzeru dzesētie atomu joni nodrošina lielisku pamatu izpētei un lietošanai unikālas īpašības kvantu fizika. Tie tiek izmantoti, lai radītu ārkārtīgi precīzus pulksteņus vai, kā šajā gadījumā, kā daļiņas, lai izveidotu nākotnes kvantu datorus, kas spēs atrisināt problēmas, kas ir niecīgas pat mūsdienu jaudīgākajiem superdatoriem.
Ja jūs joprojām neredzējāt atomu, tas ir šeit
"Ideja par iespēju redzēt vienu atomu ar neapbruņotu aci mani pārsteidza kā tiltu starp mazo kvantu pasauli un mūsu makroskopisko realitāti," sacīja Deivids Nadlingers.
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 vispārējā struktūra atoms.
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.
Pat vairāk pārsteidzoši fakti tiek atklāti, mēģinot 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 kas ir šie fiziskās formas? No kā tie ir izgatavoti un cik materiāli tie ir? Lai atbildētu uz šiem jautājumiem, sīkāk apskatīsim 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. Rezultātā projekcijas ekrānā ir daudz bārkstiņu, 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.
Fotoattēls uzņemts, izmantojot vienu no jaunākās tehnoloģijas– īpašs skenējošs elektronu mikroskops. 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. Šis paņēmiens aptuveni pirms mēneša ļāva IBM inženieriem uzzīmēt karikatūru, kuras katrs kadrs sastāv no atomiem: šādi mākslinieciski eksperimenti nedod nekādu praktisku efektu, bet demonstrē pamata iespēja manipulācijas ar atomiem. Lietišķos nolūkos vairs netiek izmantota atomu montāža, bet ķīmiskie procesi ar nanostruktūru pašorganizēšanos vai monatomisko slāņu augšanas pašierobežošanos uz substrāta.
Izmēģināsim. Es nedomāju, ka viss, kas rakstīts zemāk, ir pilnīgi godīgs, un es varētu kaut ko palaist garām, taču esošo atbilžu analīze uz līdzīgiem jautājumiem un manas domas sarindojās šādi:
Ņemsim ūdeņraža atomu: vienu protonu un vienu elektronu tā orbītā.
Ūdeņraža atoma rādiuss ir tieši tā elektrona orbītas rādiuss. Dabā tas ir vienāds ar 53 pikometriem, tas ir, 53 × 10^-12 metriem, bet mēs vēlamies to palielināt līdz 30 × 10 ^-2 metriem - apmēram 5 miljardus reižu.
Protona (tas ir, mūsu atoma kodola) diametrs ir 1,75 × 10^-15 m, ja mēs to palielināsim līdz vajadzīgajam izmēram, tas būs 1 × 10^-5 metri, tas ir, viena simtā daļa. milimetrs. Tas nav atšķirams ar neapbruņotu aci.
Tā vietā palielināsim protonu līdz zirņa izmēram. Elektrona orbīta tad būs futbola laukuma rādiuss.
Protons pārstāvēs pozitīva lādiņa apgabalu. Tas sastāv no trim kvarkiem, kas ir apmēram tūkstoš reižu mazāki par to - mēs tos noteikti neredzēsim. Pastāv uzskats, ka, uzkaisot šim hipotētiskajam objektam magnētiskas skaidas, tas ap centru pulcēsies sfēriskā mākonī.
Elektrons nebūs redzams. Neviena bumba nelidos ap atoma kodolu, elektrona “orbīta” ir tikai apgabals, kura dažādos punktos elektrons var atrasties ar dažādām varbūtībām. Mēs to varam iedomāties kā sfēru ar stadiona diametru ap mūsu zirni. Nejaušajos punktos šīs sfēras iekšienē rodas negatīvs elektriskais lādiņš un uzreiz pazūd. Turklāt tas dara to tik ātri, ka pat jebkurā laika brīdī nav jēgas runāt par savu konkrēto atrašanās vietu... jā, tas ir nesaprotami. Vienkārši sakot, tas nekādi "neizskatās".
Interesanti, starp citu, ka, paplašinot atomu līdz makroskopiskiem izmēriem, mēs ceram to “redzēt” – tas ir, noteikt no tā atstaroto gaismu. Faktiski parasta izmēra atomi neatspoguļo gaismu atomu mērogā, par kuru mēs runājam par elektronu un fotonu mijiedarbību. Elektrons var absorbēt fotonu un pāriet uz nākamo enerģijas līmeni, tas var emitēt fotonu utt. Hipotētiski šīs sistēmas mērogošana līdz futbola laukuma izmēram prasītu pārāk daudz pieņēmumu, lai prognozētu šīs neiespējamās struktūras uzvedību: vai fotonam būtu tāda pati ietekme uz milzu atomu? Vai mums tas ir “jāaplūko”, bombardējot ar īpašiem milzu fotoniem? Vai tas izstaros milzu fotonus? Visiem šiem jautājumiem, stingri ņemot, nav jēgas. Tomēr es domāju, ka var droši teikt, ka atoms neatstaro gaismu tā, kā to darītu metāla bumbiņa.
