Drukuj artykuł

JAN KOZUBOWSKI

JAK WYGL

Ą

DA ATOM

WYNALEZIENIE MIKROSKOPU ELEKTRONOWEGO

OTWORZYŁO DROG

Ę

DO SKONSTRUOWANIA

INSTRUMENTÓW, KTÓRE POZWALAJ

Ą

OGL

Ą

DA

Ć

POJEDYNCZE ATOMY.

Fot. Krzysztof Kali

ń

ski

W ko

ń

cu XIX wieku Ernst Abbe, fizyk

zwi

ą

zany z firm

ą

Zeiss, wyja

ś

nił przyczyn

ę

ograniczonej zdolno

ś

ci rozdzielczej

mikroskopu optycznego: to dyfrakcja

ś

wiatła sprawiała,

ż

e

obrazy s

ą

siaduj

ą

cych ze sob

ą

szczegółów badanego preparatu

zaczynały si

ę

ze sob

ą

zlewa

ć

, gdy odległo

ść

mi

ę

dzy nimi stawała si

ę

bliska

długo

ś

ci fali

ś

wietlnej. Mimo wszelkich wysiłków konstruktorów ograniczało to

rozdzielczo

ść

mikroskopu optycznego do kilku dziesi

ą

tych mikrometra.

Przełom nast

ą

pił w latach trzydziestych naszego stulecia, gdy do tworzenia

obrazu badanego przedmiotu wykorzystano elektrony, których wi

ą

zki umiano

ju

ż

od pocz

ą

tku naszego wieku wytwarza

ć

i formowa

ć

z pomoc

ą

elektrostatycznych czy elektromagnetycz-nych soczewek. W kwietniu 1931

roku Max Knoll i Ernst Ruska, stosuj

ą

c soczewki elektromagnetyczne,

otrzymali pierwszy ostry obraz (w czterokrotnym powi

ę

kszeniu!). Zacz

ę

li si

ę

wówczas zastanawia

ć

, czy przy u

ż

yciu takiego mikroskopu byłoby mo

ż

liwe

przekroczenie granicy rozdzielczo

ś

ci, jak

ą

okre

ś

lił Abbe dla mikroskopu

optycznego. Teoria de Broglie'a i weryfikacja falowej natury elektronów nie

były im jeszcze znane. Jak wspomina Ruska: wzi

ą

wszy pod uwag

ę

male

ń

kie

rozmiary elektronu, wydawało nam si

ę

prawdopodobne,

ż

e granica

rozdzielczo

ś

ci b

ę

dzie mała w porównaniu z rozmiarami odległo

ś

ci

Artykuł

pochodzi z

"Wiedzy i

ś

ycia" nr

8/1998

Strona 1 z 9

JAK WYGLĄDA ATOM - JAN KOZUBOWSKI - Wiedza i śycie - 8/1998

2008-03-10

file://F:\wiz\1998\98082600.htm

mi

ę

dzyatomowych.

Knoll, ogłaszaj

ą

c publicznie, w dwa miesi

ą

ce pó

ź

niej, rezultaty pierwszych

eksperymentów, unikał okre

ś

lenia "mikroskop elektronowy", aby go nie

pos

ą

dzono o nadmiern

ą

skłonno

ść

do reklamy. Ruska wspomina dalej: Jako

in

ż

ynierowie, nie byli

ś

my

ś

wiadomi hipotezy de Broglie'a a

ż

do połowy 1932

roku (...) Nie przypominam sobie dzi

ś

pierwszych dyskusji z Knollem o tym

nowym rodzaju fal, byłem zreszt

ą

rozczarowany,

ż

e znowu rozdzielczo

ść

ograniczona b

ę

dzie własno

ś

ciami falowymi. Szybko jednak pocieszyłem si

ę

,

ż

e te fale (dla energii elektronów rz

ę

du 100 keV) b

ę

d

ą

miały długo

ść

fali o pi

ęć

rz

ę

dów wielko

ś

ci mniejsz

ą

ni

ż

fale

ś

wietlne.

Spodziewano si

ę

,

ż

e mikroskop elektronowy pozwoli zobaczy

ć

nawet

pojedyncze atomy. Nie było to jednak takie proste, bo dla soczewek

elektronowych nie dało si

ę

zastosowa

ć

znanych dotychczas metod eliminacji

wad soczewek. Soczewki takie nawet dzi

ś

, przy całym ich wyrafinowaniu

technicznym, s

ą

z punktu widzenia optyka bardzo niedoskonałe i dobre obrazy

mo

ż

na uzyska

ć

tylko przy u

ż

yciu bardzo małych przesłon, a to pogarsza

mo

ż

liw

ą

do uzyskania rozdzielczo

ść

. Musiało min

ąć

kilka dziesi

ą

tków lat,

zanim mikroskop elektronowy ujawnił atomow

ą

struktur

ę

materiałów.

Przedmiotem o

ż

ywionej dyskusji w latach trzydziestych była równie

ż

sprawa

preparatów, które mo

ż

na by ogl

ą

da

ć

za pomoc

ą

mikroskopu elektronowego.

Podobnie jak kineskopy i lampy elektronowe, wymagał on bowiem pró

ż

ni, aby

nic oprócz preparatu nie rozpraszało elektronów, a preparaty musiały by

ć

niezwykle cienkie, nie grubsze ni

ż

dziesi

ą

te cz

ęś

ci mikrometra. Zdawano

sobie spraw

ę

,

ż

e nie ma mowy o ogl

ą

daniu

ż

ywych organizmów, a nawet

martwe, jak s

ą

dzono, zostan

ą

spalone przez wi

ą

zk

ę

elektronów. Min

ę

ło ponad

dziesi

ęć

lat, zanim nauczono si

ę

ci

ąć

i utrwala

ć

dostatecznie cienkie skrawki

materiału biologicznego dla bada

ń

elektronomikroskopowych (przeci

ę

tn

ą

bakteri

ę

o rozmiarach 2

ľ

m trzeba było pokroi

ć

co najmniej na kilkana

ś

cie

plasterków, a pchł

ę

na kilka tysi

ę

cy!). Przygotowanie preparatów z materiałów

krystalicznych, minerałów czy metali wydawało si

ę

pocz

ą

tkowo w ogóle

niemo

ż

liwe.

Nic wi

ę

c dziwnego,

ż

e pierwsze obrazy ujawniaj

ą

ce atomy w ciele stałym

uzyskano przy u

ż

yciu innego przyrz

ą

du, tzw. mikroskopu jonowego (w 1951

Strona 2 z 9

JAK WYGLĄDA ATOM - JAN KOZUBOWSKI - Wiedza i śycie - 8/1998

2008-03-10

file://F:\wiz\1998\98082600.htm

roku) (patrz ramka obok). Nie było w nim soczewek, jedynie bardzo subtelne

metalowe ostrze wykonane z badanego materiału, umieszczone w ba

ń

ce

szklanej opró

ż

nionej z powietrza, a wypełnionej bardzo rozrzedzonym gazem

szlachetnym. Naprzeciwko ostrza, na wewn

ę

trznej stronie ba

ń

ki szklanej,

naniesiona była cienka warstewka luminoforu (substancji

ś

wiec

ą

cej pod

wpływem bombardowania jonami). Mi

ę

dzy ostrze a warstw

ę

luminoforu

przykładano napi

ę

cie około 2000 V. Atomy gazu, które podczas bezładnego

ruchu znalazły si

ę

w pobli

ż

u ostrza, ulegały jonizacji w polu elektrycznym,

które osi

ą

gało tam bardzo du

ż

e nat

ęż

enie. Wytworzone jony biegły po linii

prostej do warstwy luminoforu, gdzie powodowały

ś

wiecenie, daj

ą

c informacj

ę

o lokalnej konfiguracji atomów w miejscu swego powstania.

Napis IBM utworzony z atomów ksenonu zaadsorbowanych

na atomowo gładkiej powierzchni kryształu niklu

Był to bardzo prosty przyrz

ą

d, a dostarczał fascynuj

ą

cych

informacji, mo

ż

na było za jego pomoc

ą

dostrzec nie tylko regularny układ

atomów na powierzchni kryształu, ale nawet "obce" atomy wbudowane w sie

ć

krystaliczn

ą

badanego materiału. Nie stał si

ę

on jednak uniwersalnym

narz

ę

dziem badawczym, głównie dlatego,

ż

e na ostrze działały w polu

elektrycznym olbrzymie siły, tym wi

ę

ksze, im było ono ostrzejsze. Do bada

ń

nadawały si

ę

wi

ę

c dobrze jedynie materiały o bardzo du

ż

ej wytrzymało

ś

ci i

wysokiej temperaturze topienia, takie na przykład jak wolfram lub tantal. Do

tego dochodziły trudno

ś

ci z przygotowaniem ostrza, trudne do pokonania w

przypadku niejednorodnych materiałów.

Dopiero stosunkowo niedawno (w 1970 roku) udało si

ę

przy u

ż

yciu

mikroskopów elektronowych zarejestrowa

ć

pierwsze obrazy pojedynczych

atomów i ich uporz

ą

dkowanych układów - kryształów, których budow

ę

atomow

ą

badano od kilkudziesi

ę

ciu ju

ż

lat metodami po

ś

rednimi, głównie przy

u

ż

yciu dyfrakcji promieni rentgenowskich. Zapłacono za to jednak wysok

ą

cen

ę

. I nie chodzi tu jedynie o koszt urz

ą

dze

ń

, cho

ć

przeci

ę

tny mikroskop

elektronowy jest przeszło dwudziestokrotnie dro

ż

szy od dobrego mikroskopu

optycznego. Trzeba było równie

ż

nauczy

ć

si

ę

interpretowania uzyskiwanych

obrazów. Pami

ę

tajmy,

ż

e mikroskop optyczny wykorzystuje do tworzenia

obrazu

ś

wiatło widzialne - te same fale, co nasze oko. Elektronów nie widzimy,

tworzony za ich pomoc

ą

obraz uwidacznia si

ę

dopiero wskutek oddziaływania

Strona 3 z 9

JAK WYGLĄDA ATOM - JAN KOZUBOWSKI - Wiedza i śycie - 8/1998

2008-03-10

file://F:\wiz\1998\98082600.htm

elektronów z emulsj

ą

fotograficzn

ą

lub luminoforem ekranu

ś

wiec

ą

cym pod

wpływem bombardowania elektronami. W dodatku, cechy tego obrazu,

okre

ś

lone przez rozpraszanie elektronów na szczegółach struktury badanych

obiektów, s

ą

zupełnie inne ni

ż

znanych ludziom obrazów tworzonych przez

fale

ś

wietlne. Zasadnicz

ą

rol

ę

w tym wypadku gra dyfrakcja elektronów,

szczególnie istotna w obrazach struktur krystalicznych.

Obraz przekroju rz

ę

sek pierwotniaka Chilodonella

cucullulus zarejestrowany za pomoc

ą

TEM. Ciekawe jest

to,

ż

e subtelna struktura rz

ę

sek tego pierwotnego narz

ą

du

ruchu okazała si

ę

taka sama u wszystkich organizmów, od

pierwotniaków do naczelnych.

Aby uzyska

ć

taki obraz, pierwotniaka trzeba utrwali

ć

, wod

ę

zast

ą

pi

ć

najpierw

alkoholem, a potem

ż

ywic

ą

epoksydow

ą

, utwardzi

ć

, pokroi

ć

na plasterki o

grubo

ś

ci około 0.05 mikrometra, umie

ś

ci

ć

na siateczkach miedzianych,

zanurzy

ć

w roztworze zwi

ę

kszaj

ą

cym kontrast, wysuszy

ć

i wło

ż

y

ć

do

mikroskopu elektronowego. Jest to skomplikowana procedura, której

opracowanie zaj

ę

ło wiele lat, a któr

ą

dzi

ś

rutynowo stosuj

ą

biolodzy i lekarze

zajmuj

ą

cy si

ę

badaniami mikroorganizmów i tkanek dla celów badawczych i

diagnostycznych

Fot. J. Kozubowski, M. Sołty

ń

ska

Potrzeba było nast

ę

pnych dwudziestu kilku lat od czasów zbudowania

pierwszych mikroskopów elektronowych, aby opracowa

ć

odpowiednie metody

interpretacji, oparte na teorii kontrastu uzyskiwanych w ten sposób obrazów, a

tak

ż

e nauczy

ć

si

ę

trudnej sztuki przygotowywania niezwykle cienkich

preparatów bez zniszczenia pierwotnej struktury. Ten trud przyniósł jednak

znakomite rezultaty.

W biologii pozwolił zbada

ć

struktur

ę

komórki a

ż

do najdrobniejszych jej

elementów. Dzi

ś

, si

ę

gaj

ą

c poziomu makrocz

ą

steczkowego, umo

ż

liwia

poznanie szczegółów budowy bakterii i wirusów, a dzi

ę

ki zastosowaniu

odpowiednich "znaczników" ujawnia lokalizacj

ę

enzymów i przeciwciał w

strukturach komórkowych. Natomiast w badaniu materiałów stosowanych w

technice pozwolił na szczegółowe analizy defektów struktury krystalicznej

Strona 4 z 9

JAK WYGLĄDA ATOM - JAN KOZUBOWSKI - Wiedza i śycie - 8/1998

2008-03-10

file://F:\wiz\1998\98082600.htm

decyduj

ą

cych o ró

ż

nych własno

ś

ciach materiałów, nie tylko o ich

wytrzymało

ś

ci mechanicznej czy odporno

ś

ci na zu

ż

ycie, ale równie

ż

o

własno

ś

ciach optycznych czy magnetycznych.

Mikroskop elektronowy przyczynił si

ę

oczywi

ś

cie do rozwoju współczesnej

elektroniki poprzez badania materiałów, z których ona korzysta, ale te

ż

sam z

niej korzystał, staj

ą

c si

ę

uniwersalnym, wielofunkcyjnym przyrz

ą

dem

analitycznym. Post

ę

p w elektronice umo

ż

liwił równie

ż

realizacj

ę

oryginalnego

pomysłu Manfreda von Ardenne'a z 1938 roku - elektronowego mikroskopu

skaningowego. Zasada jego działania jest zupełnie inna od dotychczasowej

(patrz: ramka). W mikroskopie skaningowym soczewki nie uczestnicz

ą

w

tworzeniu obrazu, który cechuje si

ę

dodatkowo nieosi

ą

galn

ą

w mikroskopie

optycznym gł

ę

bi

ą

ostro

ś

ci. Jest to czysto elektroniczny obraz, podobnie jak

jest nim, na przykład, obraz radarowy. Mamy przy tym do wyboru ró

ż

ne obrazy

tej samej powierzchni - obraz elektronowy, rentgenowski lub

ś

wietlny, zale

ż

nie

od detektora wtórnego promieniowania wybranego do tworzenia obrazu.

Obrazy te nie s

ą

takie same, ł

ą

cznie dostarczaj

ą

jednak znacznie wi

ę

cej

informacji o badanej próbce ni

ż

ka

ż

dy z nich z osobna. O ile obraz

elektronowy ujawnia głównie nierówno

ś

ci powierzchni, jej geometri

ę

, to obraz

rentgenowski pozwala dokona

ć

analizy chemicznej, mówi

ą

cej nie tylko o tym,

z jakich atomów składa si

ę

próbka, ale tak

ż

e o tym, jak te składniki s

ą

rozmieszczone. A przy tym rozmiary analizowanych obiektów s

ą

prawdziwie

mikroskopijne.

Za pomoc

ą

takiego mikroskopu mo

ż

na analizowa

ć

skład drobinek, których

masa nie przekracza 10

-12

g. Nasze codzienne do

ś

wiadczenie nie pozwala

nam nawet zorientowa

ć

si

ę

, jak mała jest ta liczba, tym niemniej podobne

drobinki (np. włókienka azbestowe) wdychane w ulicznym kurzu mog

ą

wywoływa

ć

gro

ź

ne choroby płuc. Zmiany struktury zachodz

ą

ce w tak małych

obszarach decyduj

ą

cz

ę

sto o wytrzymało

ś

ci materiału konstrukcyjnego czy o

magnetycznych własno

ś

ciach materiału u

ż

ytego do budowy głowicy

magnetowidu.

Obraz w mikroskopie skaningowym nie jest statyczny, powstaje punkt po

punkcie, odzwierciedlaj

ą

c sygnały z detektora. Umo

ż

liwia to ró

ż

nego rodzaju

ilo

ś

ciowe analizy takiego obrazu i jego przekształcenia, na przykład nadanie

Strona 5 z 9

JAK WYGLĄDA ATOM - JAN KOZUBOWSKI - Wiedza i śycie - 8/1998

2008-03-10

file://F:\wiz\1998\98082600.htm

barw odpowiednim odcieniom szaro

ś

ci. W innej skali przykłady takich

elektronicznych transformacji obrazu dostarcza film science fiction czy grafika

komputerowa. Elektronowe mikroskopy skaningowe, cho

ć

umo

ż

liwiaj

ą

jedynie

ogl

ą

danie i analiz

ę

powierzchni próbek, stały si

ę

jednak ze wzgl

ę

du na

uproszczon

ą

preparatyk

ę

najpopularniejszym rodzajem mikroskopu

elektronowego, stosowanym nie tylko w laboratoriach wy

ż

szych uczelni, ale

równie

ż

w instytutach przemysłowych i mikrobiologicznych. Korzystaj

ą

z nich

naukowcy, ale tak

ż

e pracownicy tak ró

ż

nych dziedzin, jak kryminalistyka,

przemysł papierniczy czy archeologia.

Defekty struktury krystalicznej (dyslokacje i granica mi

ę

dzy

dwoma ziarnami polikryształu) widoczne na obrazie

uzyskanym za pomoc

ą

TEM. Aby uzyska

ć

taki obraz,

trzeba najpierw przygotowa

ć

dostatecznie cienk

ą

próbk

ę

z

badanego materiału. W tym przypadku (stali nierdzewnej)

w ko

ń

cowej fazie preparatyki zastosowano elektropolerowanie - proces

kontrolowanego rozpuszczania próbki w elektrolicie. Defekty deformuj

ą

struktur

ę

krystaliczn

ą

, co zmienia lokalnie warunki dyfrakcji elektronów

przechodz

ą

cych przez próbk

ę

. Prowadzi to do zró

ż

nicowania kontrastu

obrazu. Odcinki dyslokacji znajduj

ą

ce si

ę

pomi

ę

dzy obu powierzchniami

cienkiej próbki widoczne s

ą

jako ciemne faluj

ą

ce linie (obraz jest rzutem

przestrzennej struktury na płaszczyzn

ę

). Przecinaj

ą

ca obie powierzchnie

próbki granica ziaren odwzorowana jest jako obszar z rozmytymi ciemnymi

pr

ąż

kami (pr

ąż

ki s

ą

wynikiem interferencji fal elektronowych w klinowym

obszarze jednego z ziaren, podobnie jak pr

ąż

ki Newtona s

ą

wynikiem

intereferencji fal

ś

wietlnych - widzimy wi

ę

c tu bezpo

ś

rednio efekt falowej

natury elektronów!). W obszarze granicy widoczne s

ą

te

ż

inne dyslokacje

Fot. J.A. Kozubowski

Otwarciem kolejnych drzwi do mikro

ś

wiata było skonstruowanie skaningowego

mikroskopu tunelowego w latach osiemdziesi

ą

tych, uwie

ń

czone w 1986 ro- ku

Nagrod

ą

Nobla, któr

ą

podzielili si

ę

jego młodzi odkrywcy Gerd Binning i

Heinrich Röhrer z laboratorium firmy IBM w Zurychu oraz wiekowy ju

ż

Ernst

Ruska, konstruktor pierwszych mikroskopów elektronowych w latach

trzydziestych. Zasada działania mikroskopu tunelowego o tyle przypomina

skaningowy mikroskop elektronowy,

ż

e po powierzchni próbki, a wła

ś

ciwie tu

ż

Strona 6 z 9

JAK WYGLĄDA ATOM - JAN KOZUBOWSKI - Wiedza i śycie - 8/1998

2008-03-10

file://F:\wiz\1998\98082600.htm

nad ni

ą

przesuwana jest sonda b

ę

d

ą

ca subtelnym metalowym ostrzem (patrz:

ramka).

Je

ś

li pomi

ę

dzy tym ostrzem a próbk

ą

przyło

ż

y

ć

niewielkie napi

ę

cie, to

mechanika kwantowa mówi,

ż

e przy dostatecznym zbli

ż

eniu ostrza do

powierzchni próbki, gdy ich lokalne chmury elektronowe zaczynaj

ą

ze sob

ą

oddziaływa

ć

, zaczyna płyn

ąć

tzw. pr

ą

d tunelowy. Sprz

ęż

ony z detektorem

pr

ą

du tunelowego komputer umo

ż

liwia przekształcenie wykresów pr

ą

dowych

w obraz próbki, gdzie kolory s

ą

oczywi

ś

cie czym

ś

zupełnie sztucznym, ale

poprawiaj

ą

czytelno

ść

obrazu, nie mówi

ą

c o jego graficznej atrakcyjno

ś

ci. Tak

zrealizowano odwieczne marzenie - zobaczy

ć

pojedyncze atomy i ich układ na

powierzchni próbki.

W wizji Lukrecjusza sprzed 2 tys. lat mamy jakby przeczucie tej sytuacji:

I skoro, je

ś

li czego

ś

dotykasz, nie ma znaczenia,

Jakiego jest koloru, lecz raczej jakiego kształtu,

Wi

ę

c oczywi

ś

cie zacz

ą

tki (czytaj - atomy) nie potrzebuj

ą

koloru,

By budzi

ć

ró

ż

ne doznania: kształt im do tego wystarcza (II, 814-817)

Spełniło si

ę

proroctwo Abbego. Pojawił si

ę

przyrz

ą

d, który mo

ż

na by nazwa

ć

nanoskopem (co chyba nie b

ę

dzie naruszeniem praw do firmowej nazwy

Nanoscope) - przyrz

ą

d odwzorowuj

ą

cy szczegóły o rozmiarach rz

ę

du

nanometra (jednej miliardowej cz

ęś

ci metra), a nawet dziesi

ę

ciokrotnie

mniejszych, takich jak pojedyncze atomy. Nie jest zapewne dziełem

przypadku,

ż

e przyrz

ą

d ten pojawił si

ę

wówczas, gdy znajomo

ść

informacji o

szczegółach tej wielko

ś

ci zacz

ę

ła mie

ć

istotne znaczenie praktyczne,

zwłaszcza w technologii materiałów elektronicznych (miniaturyzacja

elementów) i no

ś

ników informacji (zwi

ę

kszanie g

ę

sto

ś

ci zapisu).

Gdy naukowcy jednego z laboratoriów, posługuj

ą

c si

ę

skaningowym

mikroskopem tunelowym do "przesuwania atomów", uło

ż

yli atomy ksenonu

zaadsorbowane na gładkiej (w skali atomowej) powierzchni kryształu niklu tak,

ż

e utworzyły miniaturowy napis IBM, w którym wysoko

ść

liter równa była

pi

ę

ciu atomom, była to zabawa. Uwa

ż

a

ć

j

ą

mo

ż

na jednak za moment narodzin

nanoin

ż

ynierii - dziedziny zajmuj

ą

cej si

ę

przekształcaniem własno

ś

ci

materiałów poprzez manipulowanie pojedynczymi atomami.

Strona 7 z 9

JAK WYGLĄDA ATOM - JAN KOZUBOWSKI - Wiedza i śycie - 8/1998

2008-03-10

file://F:\wiz\1998\98082600.htm

W jakim stopniu jest to czym

ś

wi

ę

cej ni

ż

atrakcyjn

ą

nazw

ą

, o tym zadecyduje

przyszło

ść

. Potencjalne mo

ż

liwo

ś

ci s

ą

olbrzymie. Mo

ż

na b

ę

dzie nie tylko

tworzy

ć

konfiguracje atomowe nieznane dotychczas przyrodzie - to domena

in

ż

ynierii materiałowej XXI wieku, ale tak

ż

e "reperowa

ć

" pojedyncze

cz

ą

steczki. Ta druga mo

ż

liwo

ść

kusi badaczy w dziedzinie biologii i medycyny,

którzy ju

ż

od pewnego czasu staraj

ą

si

ę

rozszyfrowa

ć

zapisy genetyczne

zawarte w ła

ń

cuchach cz

ą

steczek DNA

ż

ywych organizmów i próbuj

ą

opracowa

ć

sposoby korekcji tego zapisu.

No dobrze, powie cierpliwy czytelnik, dotarłszy do tego miejsca. Mo

ż

emy

uzyska

ć

obraz układu atomów czy zaburze

ń

w regularno

ś

ci takiego układu,

mo

ż

emy nawet ujawni

ć

miejsce, w którym atom powinien si

ę

znajdowa

ć

, cho

ć

go tam nie ma. Potrafimy ju

ż

nawet manipulowa

ć

pojedynczymi atomami. Ale

jak wła

ś

ciwie wygl

ą

da atom?

Ś

ci

ś

le rzecz bior

ą

c, w ogóle "nie wygl

ą

da", bo go nadal zobaczy

ć

nie mo

ż

emy

i nigdy nie zobaczymy za pomoc

ą

jedynie naszego narz

ą

du wzroku. A

zamieszczone w artykule zdj

ę

cia to iluzja? W pewnym sensie tak. Problem

bowiem polega na tym,

ż

e znajomo

ść

miejsca poło

ż

enia atomu i informacje o

jego cechach czerpiemy z do

ś

wiadcze

ń

, które albo s

ą

rozpraszaniem jakich

ś

fal (np. rentgenowskich, elektronowych) na obiektach atomowych, albo, jak w

przypadku mikroskopu tunelowego, s

ą

sondowaniem atomowych oddziaływa

ń

.

W rezultacie albo od razu uzyskujemy pewien rodzaj obrazu (np. obraz

dyfrakcji promieni rentgenowskich na krysztale lub obraz

elektronomikroskopowy), albo dane eksperymentalne przetwarzamy w obraz,

aby były dla nas czytelniejsze (dzi

ś

najcz

ęś

ciej mamy do czynienia z t

ą

drug

ą

ewentualno

ś

ci

ą

). Sami wi

ę

c niejako ten obraz tworzymy.

Tworzymy go zgodnie z teoretycznym, kwantowym modelem atomu, jakim

posługuj

ą

si

ę

fizycy ju

ż

od prawie osiemdziesi

ę

ciu lat, a jednocze

ś

nie tak, aby

był dla nas czytelny, to jest mo

ż

liwie statyczny (atomy s

ą

przecie

ż

w ci

ą

głym

ruchu), pozbawiony nadmiernego kwantowego szumu etc. Czasem dodajemy

do obrazu troch

ę

cieni, kropek lub barw, aby zaspokoi

ć

nasze potrzeby

estetyczne. Poza tym nie potrafiliby

ś

my ju

ż

w fizyce obej

ść

si

ę

bez pomocy

coraz pot

ęż

niejszych komputerów, które pozwalaj

ą

od niedawna zobrazowa

ć

olbrzymi

ą

liczb

ę

danych do

ś

wiadczalnych, trudnych do zanalizowania w inny

sposób.

Strona 8 z 9

JAK WYGLĄDA ATOM - JAN KOZUBOWSKI - Wiedza i śycie - 8/1998

2008-03-10

file://F:\wiz\1998\98082600.htm

"Ubrane w obraz" wyniki eksperymentów porównuje si

ę

z wynikami

komputerowych oblicze

ń

mo- deluj

ą

cych rzeczywisto

ść

. To s

ą

równie

ż

najcz

ęś

ciej obrazy, na których ró

ż

norodne modele cz

ą

steczek zbudowane s

ą

z obłoczków, patyczków lub kulek. Musimy si

ę

nauczy

ć

odró

ż

nia

ć

to, co w

takich obrazach jest istotne: odległo

ś

ci, k

ą

ty, nat

ęż

enia, od tego, co słu

ż

y

jedynie poprawieniu czytelno

ś

ci lub wizualnej atrakcyjno

ś

ci. Pami

ę

tajmy przy

tym o słowach Wernera Heisenberga: nie poznajemy natury takiej, jak

ą

jest,

lecz tak

ą

jedynie, jaka nam si

ę

odsłania w do

ś

wiadczeniach. To, co nam daje

do

ś

wiadczenie, to pewne wielko

ś

ci fizyczne, ich rozkłady przestrzenne lub

czasowe. Gdy wyniki przedstawiamy w postaci obrazu, to w nieunikniony

sposób dostosowujemy go do naszych ludzkich do

ś

wiadcze

ń

, naszego

sposobu widzenia

ś

wiata.

Pozostawmy wi

ę

c problem, "jak wygl

ą

da atom", nie rozstrzygni

ę

ty i cieszmy

si

ę

tymi metodami, które obecnie umo

ż

liwiaj

ą

ujawnienie ziarnistej, atomowej

struktury materii, z tak wielkim po

ż

ytkiem dla rozwoju nauki i techniki.

Dr hab. JAN A. KOZUBOWSKI jest profesorem na Wydziale In

ż

ynierii

Materiałowej Politechniki Warszawskiej.

Od redakcji: w numerze lipcowym "Wi

ś

" zamie

ś

cili

ś

my artykuł J.A.

Kozubowskiego pt. Jak odkrywano mikro

ś

wiat.

O podobnych zagadnieniach przeczytasz w artykułach:

(07/98) JAK ODKRYWANO MIKROŚWIAT

Copyright © Prószyński i S-ka - Czasopisma Sp. z o.o. 1996-2002

Strona 9 z 9

JAK WYGLĄDA ATOM - JAN KOZUBOWSKI - Wiedza i śycie - 8/1998

2008-03-10

file://F:\wiz\1998\98082600.htm