Как устроен электронный микроскоп и как учёные смогли сфотографировать ядро атома

Электронный микроскоп покажет атом?

Если поместить атом, мельчайшую частицу любого вещества, под оптический (световой) микроскоп, увидеть его не получится. Нам не позволят это сделать законы физики: если длина волны видимого света превышает размер наблюдаемого объекта, то объект становится невидимым. Это явление называется дифракционным пределом Аббе.

Почему мы видим материю, если она состоит из невидимых человеческим глазом объектов?

Материя состоит из частиц, которые отражают свет. Этот отражённый свет попадает в наши глаза, и мы воспринимаем его как изображение окружающего мира. Так мы видим форму, цвет и текстуру объектов вокруг нас.

Хотя объекты состоят из микроскопических частиц, таких как атомы и молекулы, взаимодействие этих частиц с электромагнитным излучением делает их видимыми для нас. Таким образом мы можем воспринимать окружающий мир через зрение.

Чтобы «увидеть» невидимые объекты, учёные пользуются электронными микроскопами (ЭМС). Поток света в них заменяется на пучок электронов, который фокусируется с помощью магнитных линз. Когда пучок проходит через образец, они взаимодействуют таким образом, что часть электронов рассеивается на образце, а часть проходит сквозь него с информацией о структуре образца и формирует изображение на люминесцентном экране, видимое для человеческого глаза.

То есть принципы работы двух типов микроскопов похожи, но, используя электроны с очень короткой длиной волны, можно преодолеть ограничение оптического микроскопа.

Метод электронной птихографии

Важно понимать, что ЭМС не выдают чёткого изображения атома. Да и само слово «увидеть» в этом случае не совсем точно описывает работу ЭМС. Когда поток электронов сталкивается с атомом, происходит одно из трёх: он отражается, рассеивается или блокируется. На экране наблюдения мы увидим оптический эффект отражённого света (рефлексы) — и сможем лишь предположить, что объектом наблюдения является атом. То есть ЭМС собирает данные, а затем технический алгоритм их обрабатывает.

Один из таких алгоритмов анализа рефлексов — электронная птихография, генерация изображений нужного объекта с помощью компьютерной обработки большого количества интерференционных паттернов (пересечения волн), которые получаются при рассеивании света от образца.

Иными словами, методика фиксирует энергию, выделяемую объектом наблюдения при взаимодействии частиц, и определяет точки с наибольшей концентрацией этой энергии. Таким образом получаются самые новые снимки атомной структуры. Именно электронная птихография позволяет увидеть группы атомов и довольно точно смоделировать форму и вид атома.

А что, если заглянуть в самую глубину атома?

Внутри атома есть невероятно маленькие частицы, например протоны. Если мысленно увеличить атом водорода до размеров грузовой машины, то пропорционально увеличенный протон будет размером с песчинку. Но и внутри самого протона существует множество ещё меньших частиц: кварки, глюоны, антикварки, непрерывно движущиеся внутри с релятивистской скоростью, то есть близкой к скорости света.

Сложность получения изображения настолько малых элементов в том, что они микроскопичны даже для микроуровня. В попытках разглядеть их инструментом физиков становится уже не ЭМС, а релятивистский коллайдер тяжёлых ионов (RHIC) — ускоритель частиц, сконструированный для столкновений тяжёлых ионов (золота, меди, урана) на релятивистских скоростях. В основе его работы — принцип квантовой запутанности.

Квантовой запутанностью называется связь двух и более частиц, свойства которых продолжают оставаться взаимозависимыми, даже если эти частицы далеко друг от друга. И когда воздействию подвергается одна частица, изменяется и вторая — хотя находиться они могут даже на разных концах Вселенной. Эйнштейн называл эту запутанность сверхъестественной.

Из школьного курса физики мы можем вспомнить, что ядро атома состоит из протонов и нейтронов, а те состоят из элементарных частиц — кварков, связанных между собой глюонами. В ходе эксперимента с RHIC учёные запускали тяжёлые атомные ядра в противоположных направлениях вокруг коллайдера почти со скоростью света.

Столкновения были так интенсивны, что «расплавили» границы между отдельными протонами и нейтронами, обнаружив их элементарные компоненты — кварки и глюоны. В результате исследования было получено изображение, впервые позволившее различить глюоны, увидеть расположение протонов и нейтронов в атомных ядрах.

С более глубоким погружением науки в мир атомов учёным требуются всё более сложные и точные технологии: роботы для получения сверхточных снимков; мощные компьютеры для создания 3D-моделей открываемых взаимодействий субатомных частиц; программы, обрабатывающие терабайты данных; графические процессоры, принтеры, серверы. Чем больше открытий совершает наука, тем более широкие горизонты новых открытий предстают в перспективе. И тем более сложные и интересные вызовы появляются для информационных технологий.