Wir wissen sehr gut, dass alle Substanzen aus Atomen bestehen - dies ist die kleinstmögliche Menge eines chemischen Elements. Das Wort "Atom" kommt vom griechischen Wort "ἄτομος", das wörtlich aus dem Altgriechischen als "unteilbar" übersetzt wird - etwas, das nicht mehr geteilt werden kann. Später stellte sich jedoch heraus, dass Atome überhaupt nicht unteilbar sind, sondern aus einem Kern und Elektronen bestehen, die sich um ihn drehen. Aber es stellte sich heraus, dass dies nicht die Grenze ist….
Bald wurden andere elementare Teilchen wie Quarks entdeckt, sogar die Integrität von Elektronen, die vermutlich in Holons, Spinons und Orbitons gespalten werden konnten, wurde in Frage gestellt.
Die "ersten Bausteine" der Materie sind so klein, dass indirekt Rückschlüsse auf ihre Existenz gezogen wurden - durch verschiedene Experimente und mathematische Berechnungen, aber es wäre sehr cool, wenn wir sie mit eigenen Augen sehen könnten, da wir Mikroorganismen in einem Wassertropfen unter einem Mikroskop sehen. Warum aber nicht? Es scheint, dass Sie nur ein leistungsfähigeres Mikroskop nehmen müssen und alles untersuchen können. Egal wie leistungsfähig ein optisches Mikroskop ist, Sie können damit nicht nur ein Bild von einem Atom, sondern auch von einem Molekül erhalten.
Um ein Objekt zu sehen, muss es mit einem Lichtstrahl beleuchtet werden, und das Licht muss von seinen verschiedenen Teilen reflektiert werden und auf die Netzhaut treffen. Es ist jedoch unmöglich, ein bestimmtes Atom zu beleuchten, da Photonen genau mit einem Atom interagieren. Die meisten Photonen fliegen einfach durch das Atom, und wenn ein Photon in das Mikroskopokular zurückreflektiert wird, reicht dies offensichtlich nicht aus. Und im Allgemeinen hat das in optischen Mikroskopen verwendete sichtbare Licht eine Wellenlänge in der Größenordnung von 400 bis 700 Nanometern, während die Größe eines Atoms etwa 0,1 Nanometer beträgt, so dass es einfach sinnlos ist, das Atom damit zu beleuchten.
Was aber, wenn wir anstelle von sichtbarem Licht etwas anderes verwenden, beispielsweise Gammastrahlung oder einen gerichteten Elektronenstrahl, der sich unter bestimmten Bedingungen wie eine Welle mit einer Länge verhalten kann, die mit der Größe von Elementarteilchen vergleichbar ist? Kann ein Atom durch ein Elektronenmikroskop gesehen werden?
Ja und nein. Ja, weil tatsächlich Fotografien von Atomen existieren, nein - weil das resultierende Bild nicht so sehr das wahre Erscheinungsbild des Atoms widerspiegelt, sondern eine zugängliche Visualisierung schafft. Fotos von Atomen, die selbst mit den leistungsstärksten und genauesten Elektronenmikroskopen aufgenommen wurden, zeigen jedoch nicht ihre Struktur.
Das Foto zeigt die Schwefelatome und den Ort, an dem ein Atom fehlt. (c) David A. Müller et al. Natur, 2018.
Erstens ist der größte Teil des Atoms ein leerer Raum. Die Abstände zwischen dem Kern und den Elektronen auf einer Skala sind so groß, dass sich die Elektronen in einer Umlaufbahn mit einem Radius von etwa einem Kilometer um ihn drehen, wenn Sie den Kern auf die Größe eines Apfels vergrößern. Dies bedeutet, dass die Teilchen, aus denen ein Atom besteht, einfach nicht in das Sichtfeld passen würden.
Werbevideo:
Zweitens hindert uns das Heisenbergsche Unsicherheitsprinzip daran, die Details zu berücksichtigen. Der Ort des Elektrons im Atom wird als wahrscheinlich bestimmt, zu einem bestimmten Zeitpunkt kann es sich an dem einen oder anderen Ort befinden. Daher werden die Atome in den erhaltenen Fotografien als verschwommene Kugelwolken gesehen, die durch die sich schnell ändernde Umlaufbahn der Elektronen gebildet werden.
Und schließlich ein lustiges Video von IBM "The Boy and His Atom". Die Ingenieure von IBM verwendeten ein Rastertunnelmikroskop, um Kohlenmonoxidmoleküle (zwei übereinander gestapelte Atome) zu bewegen. Dank dessen war es möglich, ein Video mit Objekten aufzunehmen, die so klein sind, dass sie nur mit einer Vergrößerung von 100 Millionen Mal gesehen werden können.
