Vi ved godt, at alle stoffer er sammensat af atomer - dette er den mindste mulige mængde af ethvert kemisk element. Ordet "atom" stammer fra det græske ord "ἄτομος", som bogstaveligt talt oversætter fra antikgræsk til "udelelig" - noget, der ikke længere kan opdeles. Senere viste det sig imidlertid, at atomer overhovedet ikke er udelelige, men består af en kerne og elektroner, der kredser omkring det. Men det viste sig, at dette ikke er grænsen….
Snart blev andre elementære bestanddele af partikler som kvarker opdaget, selv elektronenes integritet, som formodentlig kunne opdeles i holoner, spinoner og orbitoner, blev stillet spørgsmålstegn ved.
Materiets "første klodser" er så små, at konklusioner om deres eksistens blev gjort indirekte - gennem forskellige eksperimenter og matematiske beregninger, men det ville være dejligt, hvis vi kunne se dem med vores egne øjne, da vi ser mikroorganismer i en dråbe vand under et mikroskop. Hvorfor ikke? Det ser ud til, at du bare skal tage et mere kraftfuldt mikroskop, og du kan undersøge hvad som helst. Desværre, uanset hvor kraftfuldt et optisk mikroskop er, kan du ikke få med det et billede af ikke kun et atom, men også et molekyle.
For at se et objekt skal det belyses med en lysstråle, og lyset skal reflekteres fra dets forskellige dele og ramme nethinden. Det er imidlertid umuligt at belyse et bestemt atom på grund af selve måden af interaktion mellem fotoner med et atom. De fleste af fotonerne vil simpelthen flyve gennem atomet, og hvis noget foton reflekteres tilbage i mikroskop okularet, vil dette åbenbart ikke være nok. Generelt har synligt lys, der bruges i optiske mikroskoper, en bølgelængde i størrelsesordenen 400-700 nanometer, mens størrelsen på et atom er ca. 0,1 nanometer, så det er ganske enkelt meningsløst at belyse atomet med det.
Men hvad nu, hvis vi i stedet for synligt lys bruger noget andet, for eksempel gammastråling eller en rettet elektronstråle, som under visse betingelser kan opføre sig som en bølge med en længde, der kan sammenlignes med størrelsen på elementære partikler? Det vil sige, kan et atom ses gennem et elektronmikroskop?
Ja og nej. Ja, fordi der virkelig findes fotografier af atomer, nej - fordi det resulterende billede ikke så meget afspejler atomets sande udseende, da det skaber en tilgængelig visualisering. Fotografier af atomer taget af selv de mest kraftfulde og nøjagtige elektronmikroskoper afslører imidlertid ikke deres struktur.
Billedet viser svovlatomerne og det sted, hvor et atom mangler. (c) David A. Muller et al. Natur, 2018.
For det første er det meste af atomet tomt rum. Afstanderne mellem kernen og elektronerne i en skala er så store, at hvis du forstørrer kernen til størrelsen på et æble, så vil elektronerne dreje rundt om den i en bane med en radius på cirka en kilometer. Dette betyder, at partiklerne, der udgør et atom, simpelthen ikke ville passe ind i synsfeltet.
Salgsfremmende video:
For det andet forhindrer Heisenberg-usikkerhedsprincippet os i at overveje detaljerne. Placeringen af elektronet i atomet bestemmes som sandsynligt, på et tidspunkt kan det være på et eller andet sted. På de opnåede fotografier ses derfor atomerne som uskarpe kugle-skyer dannet af det hurtigt skiftende kredsløb om elektroner.
Og endelig en sjov video fra IBM "The Boy and His Atom". Ingeniører hos IBM brugte et scannings-tunnelmikroskop til at flytte kuliltemolekyler (to atomer stablet oven på hinanden). Takket være dette var det muligt at skyde en video med objekter, der er så små, at de kun kan ses i en forstørrelse på 100 millioner gange.
