Tiedämme hyvin, että kaikki aineet koostuvat atomista - tämä on pienin mahdollinen määrä kemiallisia alkuaineita. Sana "atomi" tulee kreikkalaisesta sanasta "ἄτομος", joka kääntää kirjaimellisesti muinaiskreikasta "jakamattomaksi" - jota ei voida enää jakaa. Myöhemmin kuitenkin kävi ilmi, että atomit eivät ole lainkaan jakamattomia, vaan koostuvat ytimestä ja sen ympärillä pyörivistä elektroneista. Mutta kävi ilmi, että tämä ei ole raja….
Pian löydettiin muita elementtiosia sisältäviä hiukkasia, kuten kvarkeja, jopa elektronien eheys, jotka voitaisiin todennäköisesti jakaa holoneihin, spinoneihin ja orbitoneihin, kyseenalaistettiin.
Aineen "ensimmäiset tiilet" ovat niin pieniä, että niiden olemassaolosta tehtiin johtopäätöksiä epäsuorasti - erilaisten kokeiden ja matemaattisten laskelmien avulla, mutta olisi erittäin hienoa, jos voisimme nähdä ne omin silmin, kun näemme mikro-organismeja vesipisarassa mikroskoopin alla. Mutta miksi ei? Vaikuttaa siltä, että sinun täytyy vain ottaa tehokkaampi mikroskooppi ja voit tutkia mitä tahansa. Valitettavasti riippumatta siitä, kuinka optinen mikroskooppi on, et voi saada kuvan paitsi atomista, myös molekyylistä.
Kohteen näkemiseksi se on valaistava valonsäteellä ja valon on heijastettava sen eri osista ja osutettava verkkokalvolle. Tietyn atomin valaistaminen on kuitenkin mahdotonta fotonien vuorovaikutuksen takia atomin kanssa. Suurin osa fotoneista lentää yksinkertaisesti atomin läpi, ja jos jokin fotoni heijastuu takaisin mikroskoopin okulaariin, tämä ei selvästikään riitä. Ja yleensä, optisissa mikroskoopeissa käytetyn näkyvän valon aallonpituus on luokkaa 400-700 nanometriä, kun taas atomin koko on noin 0,1 nanometriä, joten atomin valaistus sillä on yksinkertaisesti turhaa.
Mutta entä jos näkyvän valon sijasta käytämme jotain muuta, esimerkiksi gammasäteilyä tai suunnattua elektronisuihkua, joka tietyissä olosuhteissa voi toimia kuin aalto, jonka pituus on verrattavissa alkuainehiukkasten kokoon? Toisin sanoen voidaanko atomia nähdä elektronimikroskoopin kautta?
Kyllä ja ei. Kyllä, koska valokuvia atomista on todella olemassa, ei - koska tuloksena oleva kuva ei heijasta niinkään atomin todellista ulkonäköä, vaan luo luettavan kuvan. Edes tehokkaimpien ja tarkimpien elektronimikroskooppien ottamat valokuvat atomista eivät kuitenkaan paljasta niiden rakennetta.
Valokuvassa näkyvät rikkiatomit ja paikka, josta yksi atomi puuttuu. (c) David A. Muller et ai. Luonto, 2018.
Ensinnäkin suurin osa atomista on tyhjää tilaa. Ytimen ja elektronien väliset etäisyydet asteikolla ovat niin valtavat, että jos suurennat ytimen omenan kokoiseksi, elektronit pyörivät sen ympäri kiertoradalla, jonka säde on noin kilometri. Tämä tarkoittaa, että hiukkaset, jotka muodostavat atomin, eivät yksinkertaisesti sovi näkökenttään.
Mainosvideo:
Toiseksi Heisenbergin epävarmuusperiaate estää meitä pohtimasta yksityiskohtia. Elektronin sijainti atomissa määritetään todennäköisenä, jossain vaiheessa se voi olla yhdessä tai toisessa paikassa. Siksi saaduissa valokuvissa atomit nähdään hämärtyneinä palloina ja pilvina, jotka muodostuu nopeasti muuttuvasta elektronien kiertoradasta.
Ja lopuksi hauska video IBM: ltä "The Boy and His Atom". IBM: n insinöörit käyttivät skannaavaa tunnelimikroskooppia hiilimonoksidimolekyylien (kaksi atomia pinottujen päällekkäin) siirtämiseen. Tämän ansiosta oli mahdollista ampua video niin pienillä esineillä, että niitä voidaan nähdä vain 100 miljoonan kerran suurennuksella.