Vrlo dobro znamo da su sve tvari sastavljene od atoma - ovo je najmanja moguća količina bilo kojeg kemijskog elementa. Riječ "atom" potječe od grčke riječi "ἄτομος", što doslovno s starogrčkog znači "nedjeljiv" - nešto što se više ne može podijeliti. Kasnije se, međutim, pokazalo da atomi uopće nisu nedjeljivi, već se sastoje od jezgra i elektrona koji se vrte oko njega. Ali pokazalo se da to nije granica …
Ubrzo su otkrivene i ostale elementarne sastavne čestice poput kvarkova, čak je i cjelovitost elektrona koja bi se vjerojatno mogla podijeliti u holone, spinone i orbitone.
"Prve cigle" materije su toliko male da su zaključci o njihovom postojanju doneseni neizravno - kroz razne eksperimente i matematičke proračune, ali bilo bi vrlo cool kada bismo ih vidjeli vlastitim očima, kao što vidimo mikroorganizme u kapljici vode pod mikroskopom. Međutim, zašto ne? Čini se da jednostavno trebate uzeti moćniji mikroskop i možete bilo što ispitati. Jao, ma koliko bio snažan optički mikroskop, s njim ne možete dobiti sliku ne samo atoma, već i molekule.
Da biste vidjeli predmet, on mora biti osvijetljen snopom svjetlosti, a svjetlost se mora reflektirati iz njegovih različitih dijelova i udariti u mrežnicu. Međutim, nemoguće je osvijetliti određeni atom zbog samog načina interakcije fotona s atomom. Većina fotona jednostavno će letjeti kroz atom, a ako se neki foton odbije natrag u okular mikroskopa, to očito neće biti dovoljno. I općenito, vidljiva svjetlost koja se koristi u optičkim mikroskopima ima valnu duljinu veličine 400-700 nanometara, dok je veličina atoma oko 0,1 nanometar, tako da je jednostavno besmisleno osvjetljavati atom s njom.
Ali što ako umjesto vidljive svjetlosti koristimo nešto drugo, na primjer, gama zračenje ili usmjereni snop elektrona, koji se u određenim uvjetima može ponašati poput vala s dužinom koja je usporediva s veličinom elementarnih čestica? To jest, može li se atom vidjeti kroz elektronski mikroskop?
Da i ne. Da, zato što atomi fotografije postoje, ne - zato što rezultirajuća slika ne odražava toliko pravi izgled atoma koliko stvara dostupnu vizualizaciju. Međutim, fotografije atoma snimljene čak i najmoćnijim i najpreciznijim elektronskim mikroskopima ne otkrivaju njihovu strukturu.
Fotografija prikazuje atome sumpora i mjesto gdje nedostaje jedan atom. (c) David A. Muller i sur. Priroda, 2018.
Prvo, većina atoma je prazan prostor. Udaljenost između jezgre i elektrona u skali je toliko ogromna da ako uvećate jezgru do veličine jabuke, tada će se elektroni vrtjeti oko nje u orbiti s radijusom od oko kilometra. To znači da se čestice koje čine atom jednostavno ne bi uklopile u vidno polje.
Promotivni video:
Drugo, Heisenbergov princip neizvjesnosti sprječava nas da razmotrimo detalje. Položaj elektrona u atomu određuje se kao vjerojatan, u određenom trenutku može biti na jednom ili drugom mjestu. Dakle, na dobivenim fotografijama atomi se vide kao zamagljeni kuglice-oblaci nastali uslijed brzo mijenjajuće se orbite elektrona.
I na kraju, smiješni video iz IBM-a "Dječak i njegov Atom". Inženjeri u IBM-u upotrijebili su skenirajući tuneloski mikroskop za pomicanje molekula ugljičnog monoksida (dva atoma naslagana jedan na drugom). Zahvaljujući tome, bilo je moguće snimiti video s tako malim predmetima da ih se može vidjeti samo pri povećanju od 100 milijuna puta.