Nous savons très bien que toutes les substances sont composées d'atomes - c'est la plus petite quantité possible de tout élément chimique. Le mot «atome» vient du mot grec «ἄτομος», qui se traduit littéralement du grec ancien par «indivisible» - quelque chose qui ne peut plus être divisé. Plus tard, cependant, il s'est avéré que les atomes ne sont pas du tout indivisibles, mais consistent en un noyau et des électrons tournant autour de lui. Mais il s'est avéré que ce n'est pas la limite….
Bientôt, d'autres particules constituantes élémentaires comme les quarks ont été découvertes, même l'intégrité des électrons, qui pourraient vraisemblablement être divisés en holons, spinons et orbitons, a été remise en question.
Les «premières briques» de la matière sont si petites que des conclusions sur leur existence ont été tirées indirectement - à travers diverses expériences et calculs mathématiques, mais ce serait formidable si nous pouvions les voir de nos propres yeux, comme nous voyons des micro-organismes dans une goutte d'eau sous un microscope. Mais pourquoi pas? Il semblerait que vous ayez juste besoin de prendre un microscope plus puissant et que vous puissiez tout examiner. Hélas, quelle que soit la puissance d'un microscope optique, vous ne pouvez pas obtenir avec lui une image non seulement d'un atome, mais aussi d'une molécule.
Pour voir un objet, il doit être éclairé par un faisceau de lumière, et la lumière doit être réfléchie par ses différentes parties et frapper la rétine. Cependant, il est impossible d'éclairer un certain atome en raison de la manière même d'interaction des photons avec un atome. La plupart des photons vont simplement voler à travers l'atome, et si un photon est réfléchi dans l'oculaire du microscope, cela ne sera évidemment pas suffisant. En général, la lumière visible utilisée dans les microscopes optiques a une longueur d'onde de l'ordre de 400 à 700 nanomètres, tandis que la taille d'un atome est d'environ 0,1 nanomètre, il est donc tout simplement inutile d'éclairer l'atome avec.
Mais que se passe-t-il si à la place de la lumière visible nous utilisons autre chose, par exemple un rayonnement gamma ou un faisceau d'électrons dirigé, qui dans certaines conditions peut se comporter comme une onde d'une longueur comparable à la taille des particules élémentaires? Autrement dit, un atome peut-il être vu au microscope électronique?
Oui et non. Oui, parce que les photographies d'atomes existent vraiment, non - parce que l'image résultante ne reflète pas tant la véritable apparence de l'atome qu'elle crée une visualisation accessible. Cependant, les photographies d'atomes prises même par les microscopes électroniques les plus puissants et les plus précis ne révèlent pas leur structure.
La photo montre les atomes de soufre et l'endroit où il manque un atome. (c) David A. Muller et al. Nature, 2018.
Premièrement, la majeure partie de l'atome est un espace vide. Les distances entre le noyau et les électrons sur une échelle sont si énormes que si vous agrandissez le noyau à la taille d'une pomme, les électrons tourneront autour de lui sur une orbite d'un rayon d'environ un kilomètre. Cela signifie que les particules qui composent un atome ne rentrent tout simplement pas dans le champ de vision.
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Deuxièmement, le principe d'incertitude de Heisenberg nous empêche de considérer les détails. L'emplacement de l'électron dans l'atome est déterminé comme probable, à un moment donné, il peut être à tel ou tel endroit. Par conséquent, sur les photographies obtenues, les atomes sont vus comme des boules-nuages flous formés par l'orbite des électrons en évolution rapide.
Et enfin, une vidéo amusante d'IBM "The Boy and His Atom". Les ingénieurs d'IBM ont utilisé un microscope à effet tunnel pour déplacer les molécules de monoxyde de carbone (deux atomes empilés les uns sur les autres). Grâce à cela, il a été possible de tourner une vidéo avec des objets si petits qu'ils ne peuvent être vus qu'à un grossissement de 100 millions de fois.