Как увидеть атом

атом

Прибор, которым воспользовались ученые, создавал сфокусированный электронный пучок поперечником всего 5 ангстрем. Это в десятки тысяч раз тоньше человеческого волоса. Исследуемое вещество помещалось в фокусе этого пучка. Судьба электронов, падающих на объект, различна: они могут упруго рассеиваться атомами вещества, подобно бильярдным шарам, отпрыгивающим от бортов бильярда; они могут рассеиваться неупруго, теряя скорость, как происходит при столкновении шаров из пластилина; наконец, они могут пройти через объект, не взаимодействуя с его атомами и не меняя ни направления своей скорости, ни ее величины. Для успеха всего дела были важны два обстоятельства: во-первых, чем больше атомный номер вещества (иными словами, чем больше его атомный вес), тем больше будет количество как упруго, так и неупруго рассеянных электронов.

Во-вторых, при упругом рассеянии электроны сильно отклоняются от первоначального направления, а при неупругом они отклоняются на небольшие углы, так что их первоначальное направление приблизительно сохраняется. Поэтому путем небольшой хитрости можно разделить рассеянные упруго и неупруго электроны. Добавив сюда некий прибор — спектроанализатор энергии, позволяющий разделить электроны разных энергий в одном и том же пучке,— отделим те электроны, что не взаимодействуют с атомами вообще.

Таким образом, вся сложность сортировки «нужных» электронов, тех, что могут дать изображение атомов, от ненужных была преодолена. Но любой объект под микроскопом — это сам объект плюс подложка, на которой он лежит. Во-первых, как положить на подложку один атом? А во-вторых, как снять эффект от подложки? Ведь ее атомы тоже будут рассеивать электроны. С первым справиться нетрудно. Если пятно у нас 5 ангстрем, значит, надо нанести на предметный столик такой слабый раствор вещества, чтобы на пятнышко электронного луча приходилось меньше одного атома. Со второй проблемой справиться труднее. Но и ее удалось решить. В качестве подложки использовали очень тонкую углеродную пленку, всего в 20 ангстрем толщиной.

Такую пленку получить нетрудно. Если в пятно попадет 1 атом вещества, то на экране у нас будет картинка от этого одного атома плюс все атомы подложки в объеме цилиндра с основанием 5 ангстрем и высотой 20 ангстрем (толщина пленки). Казалось бы, безнадежная ситуация. Но расчет показал, что присутствие одного тяжелого атома типа урана изменяет сигнал почти на 70 процентов по сравнению с сигналом от чистой пленки.

Первым испытанным веществом был уранил-ацетат. Очень слабый раствор этого вещества наносился на чистую углеродную пленку, которая затем подсушивалась. Ее поместили под электронный луч — и на экране появились яркие пятна. Чистая углеродная пленка таких пятен не давала. Человек увидел отдельные атомы! (Теперь вы знаете, как можно потенциально увидеть атом, хотя, разумеется, для обычных людей вряд ли будет стоять подобная задача, и даже студента-физика больше будет интересовать практическая помощь в его учебе, которую можно получить, в том числе, с помощью образовательного ресурса «Автор24«. Но вернемся к теме нашей статьи).

Но, может быть, эти светлые пятна совсем не атомы урана, а возникли из-за неодинаковой толщины пленки или в результате колебании интенсивности самого электронного пучка? Расчет показал, что даже при самых неблагоприятных условиях обе причины не могут изменить сигнал с детектора более чем на 20 процентов, а наблюдаемое изменение составляло от 40 до 70 процентов! И наконец, последняя экспериментальная проверка того, что наблюдались именно индивидуальные тяжелые атомы. Идея была одновременно проста и остроумна. Для испытания взяли такое вещество, у молекул которого тяжелые атомы расположены на известном расстоянии друг от друга.

Это продукт реакции уже знакомого нам уранил-ацетата с веществом, имеющим не слишком поэтическое название «1, 2, 4, 5- бензолтетракарбониевая кислота».

У молекулы этого вещества два атома урана удалены друг от друга на 13 ангстрем. Углеродную пленку с таким веществом положили на предметный столик микроскопа — и на экране появились пары ярких пятен, причем расстояние между ними соответствовало теоретической величине 13 А! Победа!

Мало того. Эти содержащие уран молекулы способны объединяться по две, три и т. д., образуя диамеры, тримеры и т. п. Тогда расстояние между атомами в этих сложных молекулах-агрегатах будет близко к ряду 13, 26, 39 А и т. д.

Измерения ярких пятен показали, что расстояние между ними действительно подчиняется этой закономерности.

В руках ученых появилось новое оружие; с его помощью мы можем не только наблюдать отдельные атомы, но и изучить их расположение и даже измерять расстояния между ними. Образно говоря, молекулу с тяжелыми атомами можно положить на предметный столик микроскопа и прямо увидеть, где и как они расположены.

А что если прикрепить отдельные атомы тяжелых элементов как своеобразные «метки» к сложным молекулам? В самом деле, предположим, что нам надо исследовать порядок чередования оснований в знаменитой молекуле ДНК. Если нам удастся подобрать «метку» из атомов какого-либо тяжелого металла для каждого из четырех оснований, входящих в молекулу ДНК, то, наблюдая в наш микроскоп, можно буквально «на глаз» считать
этот порядок, который определяет генетическую информацию, «записанную» в молекуле ДНК. Для каждого основания, разумеется, нужна своя «метка» — атом.

Уже обнаружено, что одна из солей осмия может присоединяться к тимину — одному из четырех оснований, как раз и являющихся кодирующими знаками в цепи ДНК. Возможно, это позволит при помощи сканирующего электронного микроскопа проследить структуру всей цепи ДНК, наблюдая, где на ней расположены «метки» — атомы осмия.

Поиски таких «меток» сильно облегчились бы, если бы при помощи электронного микроскопа удалось увидеть атомы с меньшим атомным номером, например молибдена или серебра.

Для этого разрешающую способность нужно повысить до 2—3 А. Это трудно. Рассеяние электронов на легких атомах иное, чем на тяжелых. В результате условия наблюдения отдельных атомов значительно ухудшаются, в частности уменьшаемся контрастность. Но исследователи не теряют надежды на успех.

Автор: Л. Самсоненко.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *