Kann man Atome „sehen“?

Das hängt ganz davon ab, was Sie unter "sehen" verstehen. Lassen Sie mich mit der Feststellung beginnen:

Nach meinem Wissen sind Atome kleiner als unsere Vorstellungskraft

Nein. Atome sind ziemlich groß im Vergleich zu bestimmten anderen Dingen, mit denen wir herumspielen, wie etwa ihren Bestandteilen (Protonen, Elektronen) in Teilchenbeschleunigern. Die Größe der Atome liegt in der Größenordnung von 0,1 Nanometer (natürlich gibt es eine Variation in der Größe , aber ich werde mich jetzt nicht darum kümmern). Ein Nanometer ist$10^{-9}$Meter. Protonen zum Beispiel sind sehr viel kleiner und Atome sind gewissermaßen so groß, dass wir seit über hundert Jahren wissen , dass sie nicht unteilbar sind, weil wir in Experimenten gesehen haben, dass sie es nicht sind.

Können wir nun Atome "sehen"? Dies hängt, wie ich bereits angedeutet habe, davon ab, was Sie unter „sehen“ verstehen. Wenn Sie "ein Bild im sichtbaren Licht machen" meinen, können Sie das nicht tun. In der Mikroskopie gibt es eine Faustregel, dass die kleinsten Dinge, die Sie mit einem perfekt konstruierten Mikroskop unterscheiden können, eine Größe haben müssen, die etwa der Hälfte der Wellenlänge des Lichts entspricht, mit dem Sie es anstrahlen. Die genauere Version davon ist als Abbé-Beugungsgrenze bekannt . Sichtbares Licht hat eine Wellenlänge von etwa 400-700 Nanometern. Das ist natürlich etwa 4000-7000 Mal so viel wie der Durchmesser des Atoms, also können wir tatsächlich kein Atom mit einem (Beugungs-)Mikroskop mit Licht sehen. [Wie in den Kommentaren vorgeschlagen, gibt es eine Reihe von Methoden, um die Beugungsgrenze von Abbé zu umgehenmit zum Teil ganz anderen Techniken als der üblichen Mikroskopie. Es scheint jedoch, dass eine Auflösung von Atomen noch nicht erreicht ist.]

Aber es gibt noch andere Dinge außer Licht, die wir nutzen können. Wir könnten zum Beispiel Elektronen anstelle von Licht verwenden. Die Quantenmechanik sagt uns, dass Elektronen, genau wie Licht und alles andere, eine Wellenlänge haben . Natürlich sieht so ein Mikroskop etwas anders aus als ein Lichtmikroskop, weil wir Menschen keinen guten Detektionsmechanismus für Elektronen haben. Das heißt, um aus den gebrochenen und gebeugten Elektronen ein Bild zu machen, müssen wir elektronische Sensoren verwenden und dann das Bild neu erstellen. Diese Art von Mikroskop, die ich gerade beschrieben habe, ist mehr oder weniger ein Transmissionselektronenmikroskop (TEM) und es gibt sie schon seit langer Zeit. Heutzutage haben derartige Mikroskope eine Auflösung von etwa 0,05 Nanometer(übliche TEMS werden manchmal mit einer Auflösung von etwa 1000-mal besser als die Auflösung von Lichtmikroskopen zitiert, aber mit einigen Korrekturtechniken kann man Auflösungen von 0,05 nm und vielleicht darunter erreichen ). Dies reicht gerade aus, um ein Atom zu sehen (siehe hier für ein frühes Bild, die andere Antwort enthält bessere und neuere Bilder), aber es reicht wahrscheinlich nicht aus, um das von Ihnen verlinkte Bild mit einer etwas besseren Auflösung zu sehen.

[Anmerkung: Vor ein paar Jahren brauchte man für so eine Aufnahme unbedingt das Mikroskop, das ich im nächsten Abschnitt beschreibe, heute geht das vielleicht auch über TEMs. Mit anderen Worten: Heute kann man vielleicht Atome mit Elektronen "sehen".]

Also, wie sind wir darauf gekommen:

Aber es gibt ein Wikipedia-Bild, das Siliziumatome zeigt, die an der Oberfläche von Siliziumkarbidkristallen beobachtet wurden.

Wir müssen eine andere Art von Elektronenmikroskop verwenden, ein Rastertunnelmikroskop (STM). Während das TEM im Grunde wie ein Lichtmikroskop funktioniert, verwendet das STM andere Konzepte. Daher ist es sogar noch weiter entfernt von dem, was ihr normalerweise „Sehen“ nennen würdet. Ich werde nicht beschreiben, wie das im Detail funktioniert, aber das Mikroskop besteht aus einer kleinen Spitze, an die eine Spannung angelegt wird, und es misst das Tunneln von Elektronen in die Sonde und misst dadurch den Abstand zur Sonde. Der Peak wandert dann über die Oberfläche Ihres Materials und misst an vielen Punkten den Abstand des Materials zur Spitze, um dann ein topografisches Bild der Sonde zu erstellen. Es misst also die Elektronendichte um das Atom herum und damit, wie wir es verstehen, die Größe des Atoms. Damit kann jedes vernünftige STM eine Auflösung von etwa 0,1 nm erreichen und gute STMs sind viel besser.

Und so können wir endlich Atome sehen.

Die Aussage von Martin oben:

Können wir nun Atome "sehen"? Dies hängt, wie ich bereits angedeutet habe, davon ab, was Sie unter „sehen“ verstehen. Wenn Sie "ein Bild im sichtbaren Licht machen" meinen, können Sie das nicht tun.

ist eigentlich nicht ganz richtig. Man kann mit sichtbarem Licht Bilder machen, die einzelne Atome zeigen. Hier ist ein Beispiel:

(1)

Der Grund dafür ist, dass dies ein System ist, in dem die Atome sehr verdünnt sind, viel stärker als in einem normalen Festkörper, und auf diskrete Stellen in einem 2D-Blatt beschränkt sind. Außerdem wird zur Aufnahme des Bildes Licht bei 780 nm verwendet, das mit einem elektronischen Übergang in diesen Atomen resonant ist und daher sehr stark gestreut wird. Die Atome sind sehr schwach (dieses Bild hatte wahrscheinlich eine Belichtungszeit von etwa einer Sekunde mit einem hochwertigen CCD-Sensor), und es ist ein sehr schöner Mikroskopaufbau erforderlich, um die notwendige Vergrößerung zu erhalten, aber dies ist wirklich ein Bild der verwendeten Atome die gleichen Prinzipien wie jedes Bild einer Zelle, das mit einem optischen Mikroskop aufgenommen wird.

Bearbeiten: Ich sollte jedoch betonen, dass dies wie fast alle wissenschaftlichen Bilder ein Falschfarbenbild mit willkürlich gewähltem Grünton ist. Um dem, was man tatsächlich sehen würde, treuer zu sein, sollte die Farbskala stattdessen die rötliche Farbe des 780-nm-Lichts sein, das die Atome beleuchtet.

Dies ist ein Bild eines Sc2O3-Nanokristalls, das mit einem aberrationskorrigierten Rastertransmissionselektronenmikroskop aufgenommen wurde.

Das linke Bild wird aufgenommen, indem nur Elektronen gemessen werden, die beim Durchgang durch das Material gebogen/abgelenkt wurden (in diesem Fall sehen wir die Sauerstoffatome nicht sehr gut).

Das rechte Bild misst alle Elektronen, die das Material passieren. (In diesem Fall sehen wir ziemlich deutlich Sauerstoff- und Scandiumsäulen - die in diesem Fall Säulen von etwa 5 Atomen sind)

In diesem Fall sehen wir Atomsäulen, aber tomografische STEMs existieren und können die 3D-Positionen einzelner Atome in einem Material reproduzieren

STEMs funktionieren, indem sie Elektronen in eine Probe senden und aufzeichnen, wie diese Elektronen gestreut, absorbiert oder übertragen werden, ganz analog zur Funktionsweise von Lichtmikroskopen, nur dass Elektronen eine VIEL kleinere Wellenlänge als Licht haben.

Wir können Atome nicht mit Licht sehen, weil Atome viel viel kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts.

Aber Elektronen haben eine viel kleinere Wellenlänge, was es uns ermöglicht, viel kleinere Merkmale zu untersuchen, als Licht hoffen könnte

Dieses Bild hat eine Auflösung von etwa 70 Pikometer (0,07 nm) und Atome haben "Durchmesser" von ungefähr 0,1 nm ... 10 ^ (-10) Meter. Mehr als genug Auflösung, um Atome zu sehen

Im Gegensatz zur vorherigen Antwort können wir Atome tatsächlich sehr gut mit STEMs und TEMs abbilden

Darüber hinaus können moderne STEMs Atome anhand der Ablenkung des Elektronenstrahls durch die Probe chemisch identifizieren.

Mehr Elektronen in den Atomen => größere Auslenkung.

Wir können also nicht nur Atome sehen, sondern auch ihre Chemie und physikalischen Eigenschaften studieren, während wir sie betrachten!

Unten sehen Sie ein Bild eines Nd3+:Sc2O3-Nanokristalls. Die helleren Punkte entsprechen den Nd-Atomen (aufgrund ihrer viel größeren Anzahl von Elektronen)

David B. Williams und 1 weitere Transmission Electron Microscopy: A Textbook for Materials Science (4 Vol set)

Ist eine sehr gründliche und vollständige Quelle für alles, was mit Elektronenmikroskopie zu tun hat

Bilder, aufgenommen mit einem JOEL ARM200F und Fourier-Space-gefiltert und mit Gatan analysiert