Фотография ядра атома. Визуальное наблюдение атомов под микроскопом

Снимок был сделан при помощи одной из новейших технологий – специального сканирующего электронного микроскопа. С помощью этого прибора вместе с атомом водорода был сфотографирован и отдельный атом ванадия.
Диаметр атома водорода составляет одну десятимиллиардную часть метра. Ранее считалось, что сфотографировать его современным оборудованием практически невозможно. Водород является самым распространённым веществом. Его часть во всей Вселенной приблизительно 90%.

По словам учёных, таким же способом можно запечатлеть и другие элементарные частицы. «Теперь мы можем увидеть все атомы, из которых состоит наш мир, – заявил профессор Юити Икухара. – Это прорыв к новым формам производства, когда в будущем можно будет принимать решения на уровне отдельных атомов и молекул» .

Атом водорода, цвета условные
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i21/e213001

Группа ученых из Германии, Греции, Нидерландов, США и Франции получила снимки атома водорода. На этих изображениях, полученных при помощи фотоионизационного микроскопа, видно распределение электронной плотности, которое полностью совпадает с результатами теоретических расчетов. Работа международной группы представлена на страницах Physical Review Letters.

Суть фотоионизационного метода заключается в последовательной ионизации атомов водорода, то есть в отрывании от них электрона за счет электромагнитного облучения. Отделившиеся электроны направляются на чувствительную матрицу через положительно заряженное кольцо, причем положение электрона в момент столкновения с матрицей отражает положение электрона в момент ионизации атома. Заряженное кольцо, отклоняющее электроны в сторону, играет роль линзы и с его помощью изображение увеличивается в миллионы раз.

Этот метод, описанный в 2004 году, уже применялся для получения «фотографий» отдельных молекул, однако физики пошли дальше и использовали фотоионизационный микроскоп для исследования атомов водорода. Так как попадание одного электрона дает всего одну точку, исследователи накопили около 20 тысяч отдельных электронов от разных атомов и составили усредненное изображение электронных оболочек.

В соответствии с законами квантовой механики, электрон в атоме не имеет какого-то определенного положения сам по себе. Лишь при взаимодействии атома с внешней средой электрон с той или иной вероятностью проявляется в некоторой окрестности ядра атома: область, в которой вероятность обнаружения электрона максимальна, называется электронной оболочкой. На новых изображениях видны различия между атомами разных энергетических состояний; ученые смогли наглядно продемонстрировать форму предсказанных квантовой механикой электронных оболочек.

При помощи других приборов, сканирующих туннельных микроскопов, отдельные атомы можно не только увидеть, но и переместить в нужное место. Эта техника около месяца назад позволила инженерам компании IBM нарисовать мультфильм, каждый кадр которого сложен из атомов: подобные художественные эксперименты не имеют какого-то практического эффекта, но демонстрируют принципиальную возможность манипуляций с атомами. В прикладных целях используется уже не поатомная сборка, а химические процессы с самоорганизацией наноструктур или самоограничением роста одноатомных слоев на подложке.

Микроскоп является, наверное, самым удобным инструментом, позволяющим разглядеть кирпичики мироздания. Сначала микроскопы представляли собой оптические системы, увеличение в которых достигалось с помощью линз, фокусирующих отраженные от исследуемого образца или прошедшие сквозь него световые лучи.

Затем с развитием техники оптические микроскопы уступили место электронным аналогам, где вместо световых волн используются сфокусированные потоки электронов. Они, подобно квантам света, поглощаются или рассеиваются различными веществами и материалами, но позволяют добиться увеличения куда большего, чем в оптических микроскопах. Связано это с явлением дифракции света, «огибания» электромагнитными волнами препятствий, которое не позволяет разглядеть в оптические устройства объекты меньше примерно 300 нм - этот размер соответствует ультрафиолетовому краю видимого света. Электроны также представляют собой волны (равно как и частицы), но длина их волны существенно меньше.

В настоящее время существует масса микроскопических методов, позволяющих проводить исследования в нанодиапазоне, - это сканирующая туннельная микроскопия, атомно-силовая и так далее.

Наибольшего увеличения и разрешения на сегодняшний день можно добиться с помощью технологии трансмиссивной, или просвечивающей электронной микроскопии (ТЭМ) высокого разрешения.

Она заключается в пропускании сфокусированного электронного пучка сквозь тонкий образец. Этим образцом может быть наноразмерный кристаллит неорганического вещества, углеродные нанотрубки, фуллерены и так далее. С помощью просвечивающего микроскопа и математического аппарата преобразования сигнала можно видеть отдельные атомы, образующие кристаллическую решетку просвечиваемого твердого тела, рассчитывать его параметры и так далее. Казалось бы, о чем еще можно мечтать физикам и химикам? И действительно, ТЭМ до сих остается пределом мечтаний для сотрудников многих отечественных учебно-научных учреждений: цена одного такого аппарата сравнима со стоимостью истребителя.

Тем не менее и такой аппарат не всесилен, увидеть в нем даже при разрешении в доли нанометра можно далеко не каждый атом.

Дело в том, что легкие атомы, такие как углерод, кислород, азот и уж тем более водород, обладающие небольшим количеством электронов, очень слабо рассеивают поток электронов. На фоне сигнала проводящей подложки, на которой лежит образец, и шума детектора сигнал этих атомов становится совершенно незаметным. Поэтому вплоть до последнего времени просвечивающая электронная микроскопия применялась в подавляющем большинстве случаев для исследования строения неорганических материалов, состоящих из тяжелых и богатых электронами атомов. Между тем азот, водород, кислород и углерод - это биогенные элементы, входящие в состав всех органических соединений, а потому представляют едва ли не больший интерес для ученых, нежели все неорганические материалы вместе взятые.

Приспособить ТЭМ под исследование объектов органической природы позволил уже завоевавший славу углеродный материал графен. Тонкий углеродный лист графена атомарной толщины оказался прекрасной подложкой для соединений из легких атомов для изучения их на просвет электронным пучком.

Открытие это было сделано во многом случайно. Янник Мейер, входящий в группу профессора Алекса Зеттля из Калифорнийского университета в Беркли, но работающий сейчас в Университете немецкого города Ульм, изучал сами графеновые листы, пытаясь подобрать параметры съемки и настроить соотношение «сигнал--шум» своего микроскопа наилучшим образом.

В один прекрасный момент ему пришло в голову, что «шум», от которого никак не удается избавиться, есть не что иное, как легкие углеродные атомы на поверхности графена.

Оказалось, что графен, обладая минимально возможной толщиной в сочетании с феноменальной электронной проводимостью, дает очень низкий уровень шума, а прочностные характеристики этого материала позволяют ему выдерживать бомбардировку электронным пучком в течение многих часов. команды ученых вышла в свет в журнале Nature.

Случайным ли образом в камере просвечивающего микроскопа Мейера оказались молекулы органических соединений, или они присутствуют там всегда и у всех, - сейчас сказать уже тяжело. Тем не менее Мейер, без сомнения, - первый, кто смог наблюдать динамику их движения по поверхности графена.

Какие перспективы открывает новая методика просвечивающей микроскопии, разработанная специалистами из Беркли?

Главное, теперь становится возможным воочию наблюдать простые и сложные органические молекулы напрямую с помощью микроскопа, а не «щупать» их методами ядерного магнитного резонанса и рентгеновской дифракции.

Кроме того, по словам Зеттля , взаимодействие этих молекул на поверхности и с поверхностью отныне можно будет наблюдать в динамике. Если раньше ученым приходилось анализировать состав продуктов и промежуточных веществ в ходе реакции, а затем строить сложные кинетические модели цепных реакций для установления их механизма, то в перспективе они смогут ограничиться простым наблюдением за молекулами взаимодействующих веществ напрямую; благо, ТЭМ позволяет наблюдать, что называется, «живую» картинку.

Конечно, такие радужные перспективы не могут пока исключить нескольких очень важных «но».

Во-первых, изучение структуры органических соединений, адсорбированных на поверхности, должно учитывать то обстоятельство, что конформация многих молекул в ходе такого адсорбционного взаимодействия может значительно измениться. О влиянии конформации молекулы на ход реакций, особенно если дело касается природных соединений, «Газета.Ru» писала в понедельник.

Во-вторых, если предметом изучения становится изучение взаимодействия органики с поверхностью твердого тела - задачи, очень важной в гетерогенном катализе, - графен не слишком-то и интересен, ибо со структурной и химической точки зрения он очень прост, чтобы не сказать примитивен. А синтезировать подложки толщиной в несколько атомов из более интересных соединений с каталитической или структурной точки зрения - задача во многих случаях просто неразрешимая.

Наблюдение легких соединений с помощью ТЭМа таит в себе и ряд чисто технических сложностей. Однако, как показывает опыт развития науки техники последних лет, ученые наверняка найдут способ извернуться и в этом случае.

0,6 ангстрема. Таков текущий рекорд разрешения в электронной микроскопии. Группа американских учёных получила прекрасные изображения отдельных атомов лантана, присоединённых к слоям нитрида кремния. За кадром остались титанические усилия, которые потребовались для сотворения этого чуда.

В 1959 году Ричард Фейнман, всемирно известный американский физик, первым предсказал появление нанотехнологий и, так сказать, нанонауки. Тогда он заявил, что эта науку ждёт взлёт, когда разрешение электронных микроскопов вырастет в сто раз. Этот взлёт потребовал 45 лет.

Рекорд поставила научная группа электронной микроскопии (Electron Microscopy Group Condensed Matter Sciences Division) американской национальной лаборатории в Окридже (Oak Ridge National Laboratory - ORNL).

Собственно, планка была взята в прошлом году, и коротко мы об этом говорили . Правда, тогда учёные разглядывали другие элементы. И с тех пор провели много новых опытов. Неважно. Интересно другое: мы раскопали подробности "закулисья" рекордного достижения. Хотите узнать чего стоят эти 0,6 ангстрема?

Но то, что они сделали – удивительно. Они взяли микроскопический кусочек нитрида кремния, покрыли его атомарным слоем лантана, ухитрились сделать разрез этого "пирога" и отсняли его с помощью своего зоркого инструмента.

Разрешение этого изображения достигло 0,6 ангстрема. 1 ангстрем равен 1 десятимиллионной доле миллиметра.

Инструмент – это так называемый Z-контрастный сканирующий трансмиссионный электронный микроскоп с коррекцией аберрации (уф, больше выговаривать это не будем), установленный с полной развязкой от вибраций, акустических и магнитных полей в сравнительно недавно возведённом здании лаборатории передовой микроскопии ORNL (Advanced Microscopy Laboratory).

"Z-контрастный" означает, что данный аппарат реагирует на атомное число элемента, ярко выделяя тяжёлые атомы на фоне лёгких.

Первый Z-контрастный электронный микроскоп учёные, инженеры и промышленники разрабатывали ещё в 1988 году, при непосредственном участии Пенникука, кстати. В 2001 году электронная микроскопия взяла рубеж разрешения в 0,8 ангстрема. Для шага к 0,6 ангстрема физикам пришлось прыгнуть выше головы.

Там приняты все меры, чтобы свести проникновение внешних магнитных полей до уровня ниже 0,3 миллигаусса, то есть - до уровня в тысячи раз меньшего, чем сила магнитного поля Земли, способного разве что только отклонить стрелку компаса, висящую на игле.

Да что там пылинка. Можно представить, что форточка, открытая где-нибудь неподалёку от прибора или чихнувший сотрудник способны увести настройки прочь – целимся-то мы в отдельные атомы! Потому микроскоп управляется дистанционно из диспетчерской.

Все эти ухищрения позволили группе Пенникука за последнее время сделать массу открытий в поведении сверхпроводников и конструкционных материалов.

Только один пример: разглядывая буквально атом за атомом, как разные элементы выстраиваются друг рядом с другом, учёные раскрыли секрет ломкости лопаток турбины авиадвигателей, покрытых каким-то хитрым стойким составом.

Сколько стране могут дать новые материалы и вообще – понимание взаимодействия веществ – оценивайте сами.

Атомы совсем крошечные, очень и очень маленькие. Вы наверняка знаете, что материя состоит из них, но вы никогда их не видели и не увидите, потому что атом невозможно разглядеть невооруженным (и даже иногда хорошо вооруженным) глазом. Стоит ли принимать на слово то, что все в нашем мире построено из этих крошечных «кирпичиков»?

Стоит. Даже самые скептически настроенные люди не смогут усомниться в существующих доказательствах. Так как же ученые открыли для науки атомы? И, что гораздо важнее, как они смогли доказать существование этих крошечных частиц?

В чем сложность?

Казалось бы, что проще, чем рассмотреть атомы в микроскоп. Но не все так элементарно, как сами частицы. Даже самый мощный микроскоп не в состоянии различить отдельный атом. Все потому, что размер атома гораздо меньше размера световой волны, и свет просто не может отражаться от крохотных частиц, тем самым превращая их в невидимые даже вооруженному глазу.

История открытия

Еще в конце XVIII века ученые стали замечать необъяснимое явление - ничем не обусловленное движение мелких частиц, например мельчайшей пыли над поверхностью воды. В середине XIX века шотландский ботаник Роберт Броун провел ряд экспериментов, в ходе которых он наблюдал движение мельчайших частиц каменной пыли. Через десятки лет частная теория относительности Эйнштейна путем математической формулы объяснила то, что в физике до тех пор называлось «броуновское движение».

К 1908 году все эксперименты, наблюдения и математические расчеты сводились к тому, что атомы реальны, и именно из них состоит любая окружающая нас материя. Однако не прошло и десятилетия, как наука ступила еще дальше и заставила ученых задуматься над тем, из чего же состоят сами атомы.

Структура атома

То, что атом не является единым целым, может показаться неожиданностью, особенно учитывая происхождение термина, который с греческого языка переводится как «неделимый». Однако физике давно известен факт сравнительно сложной и изменчивой структуры атомов. Проще всего сравнить строение «элементарных» частиц с солнечной системой.

Обычный атом составляют три компонента: протоны, нейтроны и электроны. Протоны и нейтроны образуют своеобразное «ядро» атома, поэтому в физике их часто называют нуклонами. Электроны же кружат вокруг ядра, как планеты вокруг солнца. Так же как солнце составляет 99,9% массы солнечной системы, так и атомное ядро практически полностью занимает массу атома.

Электрон

Если атомы невероятно малы, то их составляющие частицы еще меньше. Удивительно, что первым из трех элементов атомной структуры был обнаружен самый маленький по размеру - электрон. Для того чтобы понять, насколько электрон меньше атомного ядра, легче всего представить себе шмеля, летающего вокруг воздушного шара. Так каким же образом такие невообразимо малые частицы материи были обнаружены? Все дело в том, что несмотря на размер, электроны обладают огромной энергией, достаточной для создания видимых световых излучений.

Именно благодаря этим излучениям их впервые обнаружил британский физик Джозеф Джон Томсон, который создал своеобразный прототип ускорителя элементарных частиц. В изогнутую стеклянную трубку, в которой предварительно был создан вакуум, Томсон с одного края пустил отрицательный заряд тока. В результате заряда электроны, которые сами по себе обладают отрицательным зарядом, смогли отделиться от ядра и направиться к противоположному краю трубки. При столкновении с поверхностью стекла отрицательно заряженные частицы создали удивительное желто-зеленое сияние.

Протон

Открытие электрона заставило ученых задуматься над тем, что атом не так прост, как кажется. Большинство атомов обладают нейтральным зарядом, и чтобы удержать в своей структуре отрицательно заряженные частицы, им нужен положительный заряд. Так, в фокус ученых попал нуклеус, или атомное ядро. В начале XX века было проведено несколько экспериментов, в результате которых ученые доказали существование протонов и, кроме этого, строение атома, напоминающее структуру солнечной системы.

Британский физик Эрнест Резерфорд провел эксперимент по рассеиванию частиц через тонкую золотую фольгу. Сам ученый признался, что не ожидал многого от эксперимента. Он направил на фольгу поток радиоактивных альфа-лучей, то есть радиацию с положительным зарядом. Большая часть радиации прошла прямо сквозь фольгу, но некоторые частицы отталкивались от золотой поверхности под достаточно большими углами, что указывало на положительно заряженные частицы внутри атомов. Причем частицы эти - достаточно большие и очень плотные, что позволило Резерфорду первым создать планетарную модель строения атома.

Нейтрон

Казалось бы, и строение и поведение атомов были подробно изучены и изложены в многочисленных трудах, но у науки возникла очередная проблема. Как только ученые смогли измерить атомную массу, появился вопрос: почему масса ядра в два раза больше, чем должны весить положительно заряженные протоны? С самого начала ученые предполагали наличие равного по количеству и массе числа нуклонов, не имеющих электрического заряда. Их даже заведомо назвали нейтронами, но никто не мог доказать их существование.

Ученый-физик из Кембриджского университета Джеймс Чедвик совершил прорыв в области ядерной физики, когда не поверил в то, что атомы бериллия излучают гамма-радиацию. На тот момент, гамма-лучи были еще очень свежим открытием, однако Чедвик не поверил большинству ученых и решил провести собственный эксперимент в 1932 году.

Он направил «радиацию», излучаемую бериллием, на материю, богатую протонами. Протоны были вытолкнуты, словно бильярдные шары; так, будто их отодвинули частицы с такой же массой. Такую реакцию невозможно объяснить гамма-радиацией, поэтому частицы были признаны нейтронами. Таким образом, все основные частицы атома были найдены, однако история его изучения на этом не заканчивается.

Атом (от греч. «неделимый») - некогда мельчайшая частица вещества микроскопических размеров, наименьшая часть химического элемента, которая носит его свойства. Составляющие атома - протоны, нейтроны, электроны - этих свойств уже не имеют и образуют их в совокупности. Ковалентные атомы образуют молекулы. Ученые изучают особенности атома, и хотя они уже довольно неплохо изучены, не упускают возможности найти что-то новое - в частности, в области создания новых материалов и новых атомов (продолжающих таблицу Менделеева). 99,9% массы атома приходится на ядро.

Ученые из Университета Рэдбуда обнаружили новый механизм магнитного хранения информации в мельчайшей единице вещества: одном атоме. Несмотря на то, что доказательство принципа было продемонстрировано при очень низких температурах, этот механизм обещает функционировать и при комнатной температуре. Таким образом, можно будет хранить в тысячи раз больше информации, чем сейчас на жестких дисках. Результаты работы были опубликованы в Nature Communications.