Nagyon jól tudjuk, hogy minden anyag atomokból áll - ez bármilyen kémiai elem lehető legkisebb mennyisége. Az "atom" szó a görög "ἄτομος" szóból származik, amely az ókori görögből szó szerint "oszthatatlan" - valami, amit már nem lehet megosztani. Később azonban kiderült, hogy az atomok egyáltalán nem oszthatók, hanem egy atommagból és körülötte forgó elektronokból állnak. De kiderült, hogy ez nem a határ…
Hamarosan felfedezték más elemi alkotórészecskéket, például kvarkokat, még az elektronok integritását is, amelyek feltehetően holonokra, spinonokra és orbitonokra bonthatók.
Az anyag „első téglája” olyan kicsi, hogy létezéséről közvetett következtetéseket vontak le - különféle kísérletek és matematikai számítások révén -, de nagyon jó lenne, ha a saját szemünkkel látnánk őket, miközben mikroszkóp alatt mikroorganizmusokat látunk egy csepp vízben. De miért nem? Úgy tűnik, csak el kell vennie egy erősebb mikroszkópot, és bármit megvizsgálhat. Sajnálatos módon, függetlenül attól, hogy az optikai mikroszkóp milyen nagy teljesítményű, nem kaphat képet nemcsak egy atomról, hanem egy molekuláról is.
Tárgy megtekintéséhez azt meg kell világítani egy fénysugárral, és a fénynek visszatükröződnie kell annak különféle részeiből, és meg kell ütnie a retinát. Ugyanakkor lehetetlen megvilágítani egy atomot, mivel a fotonok egy atommal kölcsönhatásba lépnek. A legtöbb foton egyszerűen áthalad az atomon, és ha valamely foton visszatükröződik a mikroszkóp okulárába, akkor ez nyilvánvalóan nem lesz elég. Általánosságban elmondható, hogy az optikai mikroszkópokban használt látható fény hullámhossza 400-700 nanométer, míg egy atom mérete körülbelül 0,1 nanométer, tehát egyszerűen értelmetlen az atom megvilágítása.
De mi van, ha a látható fény helyett valami mást használ, például gamma-sugárzást vagy irányított elektronnyalábot, amely bizonyos körülmények között úgy viselkedik, mint egy hullám, amelynek hossza hasonló az elemi részecskék méretéhez? Vagyis látható-e egy atom elektronmikroszkóppal?
Igen és nem. Igen, mivel az atomfotók valóban léteznek, nem - mert az így kapott kép nem annyira tükrözi az atom valódi megjelenését, mint hozzáférhető megjelenítést hoz létre. Az atomokról még a legerősebb és legpontosabb elektronmikroszkópokkal készített fényképek nem fedik fel a szerkezetüket.
A képen a kénatomok és a hely, ahol hiányzik egy atom. c) David A. Muller et al. Természet, 2018.
Először is, az atom nagy része üres hely. A mag és az elektronok közötti távolság skálán annyira óriási, hogy ha a magot egy alma méretére nagyítják, akkor az elektronok körülbelül egy kilométer sugarú pályán körül forognak. Ez azt jelenti, hogy az atomot alkotó részecskék egyszerűen nem férnek bele a látómezőbe.
Promóciós videó:
Másodszor, a Heisenberg bizonytalanság elve akadályozza meg a részletek figyelembe vételét. Az elektron helyét az atomban valószínűsítéssel határozzuk meg, bizonyos időpontokban lehet egy vagy másik helyen. Ezért a kapott fényképeken az atomok homályos gömböknek és felhőknek tekinthetők, amelyeket az gyorsan változó elektronpálya képez.
És végül egy vicces videó az IBM-től "A fiú és az ő atoma". Az IBM mérnökei pásztázó alagútmikroszkópot használtak a szén-monoxid-molekulák mozgatására (két atom egymásra helyezve). Ennek köszönhetően olyan videofelvételeket lehetett készíteni, amelyek annyira kicsik, hogy csak százmilliószor nagyíthatók.