We weten heel goed dat alle stoffen uit atomen zijn samengesteld - dit is de kleinst mogelijke hoeveelheid van elk chemisch element. Het woord "atoom" komt van het Griekse woord "ἄτομος", wat zich letterlijk vertaalt uit het oudgrieks als "ondeelbaar" - iets dat niet langer kan worden verdeeld. Later bleek echter dat atomen helemaal niet ondeelbaar zijn, maar bestaan uit een kern en elektronen die eromheen draaien. Maar het bleek dat dit niet de limiet is….
Al snel werden andere elementaire samenstellende deeltjes zoals quarks ontdekt, zelfs de integriteit van elektronen, die vermoedelijk in holons, spinons en orbitonen zouden kunnen worden opgesplitst, werden in twijfel getrokken.
De 'eerste stenen' van materie zijn zo klein dat er indirect conclusies over hun bestaan werden getrokken - door middel van verschillende experimenten en wiskundige berekeningen, maar het zou geweldig zijn als we ze met onze eigen ogen konden zien, zoals we micro-organismen in een druppel water onder een microscoop zien. Maar waarom niet? Het lijkt erop dat je gewoon een krachtigere microscoop nodig hebt en je kunt alles onderzoeken. Helaas, hoe krachtig een optische microscoop ook is, je kunt er niet mee een beeld krijgen van niet alleen een atoom, maar ook een molecuul.
Om een object te kunnen zien, moet het worden verlicht met een lichtstraal, en het licht moet worden gereflecteerd door de verschillende delen en het netvlies raken. Het is echter onmogelijk om een bepaald atoom te verlichten vanwege de manier waarop fotonen met een atoom samenwerken. De meeste fotonen vliegen gewoon door het atoom, en als er een foton wordt teruggekaatst in het oculair van de microscoop, is dat natuurlijk niet voldoende. En over het algemeen heeft het zichtbare licht dat in optische microscopen wordt gebruikt een golflengte in de orde van grootte van 400-700 nanometer, terwijl de grootte van een atoom ongeveer 0,1 nanometer is, dus het heeft gewoon geen zin om het atoom ermee te verlichten.
Maar wat als je in plaats van zichtbaar licht iets anders gebruikt, bijvoorbeeld gammastraling of een gerichte elektronenbundel, die zich onder bepaalde omstandigheden kan gedragen als een golf met een lengte vergelijkbaar met de grootte van elementaire deeltjes? Dat wil zeggen, kan een atoom worden gezien door een elektronenmicroscoop?
Ja en nee. Ja, omdat foto's van atomen echt bestaan, nee - omdat het resulterende beeld niet zozeer de ware verschijning van het atoom weerspiegelt, maar een toegankelijke visualisatie creëert. Foto's van atomen die zelfs met de krachtigste en nauwkeurigste elektronenmicroscopen zijn gemaakt, onthullen hun structuur echter niet.
De foto toont de zwavelatomen en de plaats waar één atoom ontbreekt. (c) David A. Muller et al. Natuur, 2018.
Ten eerste is het grootste deel van het atoom lege ruimte. De afstanden tussen de kern en de elektronen op een schaal zijn zo groot dat als je de kern vergroot tot de grootte van een appel, de elektronen eromheen draaien in een baan met een straal van ongeveer een kilometer. Dit betekent dat de deeltjes waaruit een atoom bestaat simpelweg niet in het gezichtsveld passen.
Promotie video:
Ten tweede verhindert het Heisenberg-onzekerheidsprincipe ons om de details in overweging te nemen. De locatie van het elektron in het atoom wordt als waarschijnlijk bepaald, op een bepaald moment kan het zich op een of andere plaats bevinden. Daarom worden de atomen op de verkregen foto's gezien als wazige bolletjeswolken gevormd door de snel veranderende baan van elektronen.
En tot slot een grappige video van IBM "The Boy and His Atom". Ingenieurs bij IBM gebruikten een scanning tunneling microscoop om koolmonoxidemoleculen (twee op elkaar gestapelde atomen) te verplaatsen. Dankzij dit was het mogelijk om een video te maken met objecten die zo klein zijn dat ze alleen te zien zijn bij een vergroting van 100 miljoen keer.