Doskonale wiemy, że wszystkie substancje składają się z atomów - to najmniejsza możliwa ilość dowolnego pierwiastka chemicznego. Słowo „atom” pochodzi od greckiego słowa „ἄτομος”, które dosłownie tłumaczy się ze starożytnej greki jako „niepodzielny” - coś, czego nie można już podzielić. Później jednak okazało się, że atomy wcale nie są niepodzielne, ale składają się z jądra i krążących wokół niego elektronów. Okazało się jednak, że to nie koniec….
Wkrótce odkryto inne elementarne cząstki składowe, takie jak kwarki, zakwestionowano nawet integralność elektronów, które przypuszczalnie można rozszczepić na holony, spinony i orbitony.
„Pierwsze cegły” materii są tak małe, że wnioski o ich istnieniu wyciągnięto pośrednio - poprzez różne eksperymenty i obliczenia matematyczne, ale byłoby wspaniale, gdybyśmy mogli je zobaczyć na własne oczy, tak jak mikroorganizmy w kropli wody pod mikroskopem. Jednak dlaczego nie? Wydawałoby się, że wystarczy wziąć mocniejszy mikroskop i zbadać wszystko. Niestety, bez względu na to, jak potężny jest mikroskop optyczny, nie można za jego pomocą uzyskać obrazu nie tylko atomu, ale także cząsteczki.
Aby zobaczyć obiekt, należy go oświetlić wiązką światła, a światło musi zostać odbite od jego różnych części i uderzyć w siatkówkę. Nie można jednak oświetlić określonego atomu ze względu na sam sposób oddziaływania fotonów z atomem. Większość fotonów po prostu przeleci przez atom, a jeśli jakiś foton odbije się z powrotem do okularu mikroskopu, to oczywiście nie wystarczy. Generalnie światło widzialne używane w mikroskopach optycznych ma długość fali rzędu 400-700 nanometrów, podczas gdy rozmiar atomu to około 0,1 nanometra, więc oświetlanie nim atomu jest po prostu bezcelowe.
A co by było, gdyby zamiast światła widzialnego zastosowano coś innego, np. Promieniowanie gamma lub ukierunkowaną wiązkę elektronów, która w określonych warunkach może zachowywać się jak fala o długości porównywalnej z wielkością cząstek elementarnych? To znaczy, czy atom można zobaczyć pod mikroskopem elektronowym?
Tak i nie. Tak, ponieważ zdjęcia atomów naprawdę istnieją, nie - ponieważ powstały obraz nie tyle oddaje rzeczywisty wygląd atomu, ile tworzy dostępną wizualizację. Jednak zdjęcia atomów wykonane nawet przez najpotężniejsze i najdokładniejsze mikroskopy elektronowe nie ujawniają ich budowy.
Na zdjęciu atomy siarki oraz miejsce, w którym brakuje jednego atomu. (c) David A. Muller i in. Natura, 2018.
Po pierwsze, większość atomu to pusta przestrzeń. Odległości między jądrem a elektronami w skali są tak ogromne, że jeśli powiększymy jądro do rozmiarów jabłka, wówczas elektrony będą się wokół niego krążyć po orbicie o promieniu około kilometra. Oznacza to, że cząsteczki tworzące atom po prostu nie pasowałyby do pola widzenia.
Film promocyjny:
Po drugie, zasada nieoznaczoności Heisenberga uniemożliwia nam rozważenie szczegółów. Położenie elektronu w atomie określa się jako prawdopodobne, w pewnym momencie może znajdować się w tym lub innym miejscu. Dlatego na wykonanych zdjęciach atomy są widoczne jako rozmyte kule-chmury utworzone przez szybko zmieniającą się orbitę elektronów.
I na koniec zabawny filmik z IBM „The Boy and His Atom”. Inżynierowie IBM wykorzystali skaningowy mikroskop tunelowy do przemieszczania cząsteczek tlenku węgla (dwóch atomów ułożonych jeden na drugim). Dzięki temu udało się nakręcić film z obiektami tak małymi, że można je zobaczyć tylko przy powiększeniu 100 milionów razy.