Начиная с первых уроков физики в школе, из-за неправильного объяснения, между понятиями атом и молекула часто ставится знак равенства. Но на самом деле это разные вещи. Так и живем мы с путаницей в голове, пока вдруг не узнаем, что эти штуки хотя и связаны, но значительно отличаются друг от друга. Говорить, что атом и молекула — одно и то же совсем неправильно.
Исходя из теории строения вещества, всё вокруг нас состоит из частиц. Будь-то камень или деревяшка, мясной стейк или банка со сметаной. Каждое физическое тело построено из атомов и молекул, как и кирпичный дом построен из кирпичей.
Конфигурация этого строения определяет свойства вещества. Скажем, взаимное расположение молекул делает воду жидкой, а камень твёрдым. Из-за особенностей строения одно тело хорошо горит, а другое может совсем не гореть. Понятно, что ещё играет роль и состав материала, но конфигурация строения тоже имеет весьма значимое влияние.
Материя состоит из молекул, а молекулы объединяются в различные структуры и строения. Аналогично тому, как мы строим стену из камней, молекулы тоже строятся из атомов. Любая молекула состоит из более мелких частиц. Эти мелкие частицы и носят название атомы. Подробно о том, из чего по современным представлениям состоит материя, мы рассказывали в этой статье.
Соответственно, если мы спрашиваем, чем отличается молекула от атома, это эквивалентно тому, как спросить чем кирпичная стена отличается от кирпича.
Получается, что именно атомы составляют материю, а молекулы состоят из разных атомов, которые объединились в некоторую структуру. Структуры могут быть самыми разными. Молекулы принимают самую причудливую форму. Они бывают и ветвистые, и линейные, и объемные. Между тем, атомы всегда выглядят, как сферический объект.
Опять же, представим это в простой форме. Мы строим стену из кирпичей, а сами кирпичи состоят из каких-то неясных структурных составляющих, типа мелких камней. В этом примере кирпичи — это молекулы, а то из чего состоит кирпич — это атомы.
Правда если копнуть поглубже, мы узнаем, что атомы тоже не являются мельчайшей частицей, а состоят из протонов, нейтронов и электронов. Правда и обозначенные структурные составляющие тоже не являются мельчайшими. Так и был построен коллайдер, целью которого являлось выявить мельчайшую частичку.
Есть и ещё одно очень важное отличие. Если молекулы можно воспринимать как нечто целое и мельчайшую частицу, существующую отдельно, то атомы всегда представлены в виде некоторых агломератов. Одиночных атомов в природе не существует. По крайней мере, в обычных условиях. Они всегда являются "системой".
Атом имеет электрический заряд, а молекула нейтральна. Ведь в ней всё уравновешено. На данный момент считается, что именно атом наделяет вещество теми или иными свойствами, а молекула их наследует. Правда до сих пор не определено, какая именно частица наделяет вещество массой, но это уже совсем другая история.
Ну и самое интересное мы оставили на последок. Атомы и молекулы на сегодняшний день возможно сфотографировать с помощью электронного микроскопа. Используя современную технику, удалось запечатлеть атом и молекулу.
На фотографии мы видим, что атом действительно имеет сферическую форму и организован согласно планетарной модели Резерфорда.
Молекула состоит из атомов и атомы эти объединены в сложное пространственное соединение. Именно такая конфигурация и логика строения определяет многие свойства. Обратите внимание, что в узлах пространственной модели молекулы на фотографии мы видим те самые атомы.
Подписывайтесь на наш телеграм-канал!
Источник: zen.yandex.ru
Оптика не стареет
Как выяснилось во второй половине XX века, оптическим микроскопам еще есть куда развиваться. Решающим моментом в биологических и медицинских исследованиях стало появление флуоресцентных красителей и методов, позволяющих избирательно помечать определенные вещества. Это не было «всего лишь новой краской», это был настоящий переворот.
Вопреки расхожему заблуждению, флуоресценция — это вовсе не свечение в темноте (последнее называется люминесценцией). Это явление поглощения квантов определенной энергии (скажем, синего света) с последующим излучением других квантов меньшей энергии и, соответственно, иного света (при поглощении синего испускаться будут зеленые). Если поставить светофильтр, который пропускает только излучаемые красителем кванты и задерживает свет, вызывающий флуоресценцию, можно увидеть темный фон с яркими пятнами красителей, а красители, в свою очередь, могут расцвечивать образец чрезвычайно избирательно.
Например, можно покрасить цитоскелет нервной клетки красным, синапсы выделить зеленым, а ядро — голубым. Можно сделать флуоресцентную метку, которая позволит обнаружить белковые рецепторы на мембране или синтезируемые клеткой в определенных условиях молекулы. Метод иммуногистохимического окрашивания совершил революцию в биологической науке. А когда генные инженеры научились делать трансгенных животных с флуоресцентными белками, этот метод пережил второе рождение: реальностью стали, например, мыши с окрашенными в разные цвета нейронами.
Кроме того, инженеры придумали (и отработали на практике) метод так называемой конфокальной микроскопии. Суть его заключается в том, что микроскоп фокусируется на очень тонкий слой, а специальная диафрагма отсекает создаваемую объектами вне этого слоя засветку. Такой микроскоп может последовательно сканировать образец сверху вниз и получать стопку снимков, которая является готовой основой для трехмерной модели.
Использование лазеров и сложных оптических систем управления лучом позволило решить проблему выгорания красителей и высыхания нежных биологических образцов под ярким светом: луч лазера сканирует образец только тогда, когда это необходимо для съемки. А чтобы не тратить время и силы на осмотр большого препарата через окуляр с узким полем зрения, инженеры предложили автоматическую систему сканирования: на предметный столик современного микроскопа можно положить стекло с образцом, и прибор самостоятельно отснимет масштабную панораму всего образца. При этом в нужных местах он будет наводить на резкость, а затем склеит множество кадров воедино.
В некоторые микроскопы можно посадить живых мышей, крыс или хотя бы мелких беспозвоночных животных. Другие дают небольшое увеличение, зато совмещены с рентгеновским аппаратом. Многие для устранения помех от вибраций монтируются на специальных столах массой в несколько тонн внутри помещений с тщательно контролируемым микроклиматом. Стоимость подобных систем превышает стоимость иных электронных микроскопов, а конкурсы на самый красивый кадр давно стали традицией. Кроме того, продолжается и совершенствование оптики: от поиска лучших сортов стекла и подбора оптимальных комбинаций линз инженеры перешли к принципиально новым способам фокусировки света.
Мы специально перечислили ряд технических подробностей для того, чтобы показать: прогресс в области биологических исследований давно связан с прогрессом в других областях. Если бы не существовало компьютеров, способных автоматически сосчитать число окрашенных клеток на нескольких сотнях фотографий, толку от супермикроскопов было бы немного. А без флуоресцентных красителей все миллионы клеток были бы неотличимы друг от друга, так что проследить за формированием новых или гибелью старых было бы практически невозможно.
За дифракционным пределом
У оптических микроскопов есть принципиальный недостаток. Дело в том, что по форме световых волн невозможно восстановить форму тех предметов, которые оказались намного меньше длины волны: с тем же успехом можно пытаться исследовать тонкую текстуру материала рукой в толстой перчатке для сварочных работ.
Ограничения, создаваемые дифракцией, отчасти удалось преодолеть, причем без нарушения законов физики. Поднырнуть под дифракционный барьер оптическим микроскопам помогают два обстоятельства: то, что при флуоресценции кванты излучаются отдельными молекулами красителя (которые могут довольно далеко отстоять друг от друга), и то, что за счет наложения световых волн можно получить яркое пятно с диаметром, меньшим, чем длина волны.
При наложении друг на друга световые волны способны взаимно друг друга погасить, поэтому можно подобрать параметры освещения образца так, чтобы в яркую область попадал по возможности меньший участок. В сочетании с математическими алгоритмами, которые позволяют, например, убрать двоение изображения, такое направленное освещение дает резкое повышение качества съемки. Становится возможным, к примеру, исследовать в оптический микроскоп внутриклеточные структуры и даже (комбинируя описанный метод с конфокальной микроскопией) получать их трехмерные изображения.
Электронный микроскоп до электронных приборов
Для того чтобы открыть атомы и молекулы, ученым не пришлось их рассматривать — молекулярная теория не нуждалась в том, чтобы видеть объект.
вот микробиология стала возможна только после изобретения микроскопа. Поэтому первое время микроскопы ассоциировались именно с медициной и биологией: физики и химики, изучавшие существенно меньшие объекты, обходились другими средствами. Когда же и им захотелось посмотреть на микромир, дифракционные ограничения стали серьезной проблемой, тем более что описанные выше методы флуоресцентной микроскопии были еще неизвестны. Да и толку от повышения разрешающей способности с 500 до 100 нанометров немного, если объект, который надо рассмотреть, еще меньше!
Зная о том, что электроны могут себя вести и как волна, и как частица, физики из Германии в 1926 году создали электронную линзу. Идея, лежащая в ее основе, была очень простой и понятной любому школьнику: раз электромагнитное поле отклоняет электроны, то с его помощью можно поменять форму пучка этих частиц, растащив их в разные стороны, или, напротив, уменьшить диаметр пучка. Спустя пять лет, в 1931 году Эрнст Руска и Макс Кнолл построили первый в мире электронный микроскоп. В приборе образец сначала просвечивался пучком электронов, а потом электронная линза расширяла прошедший насквозь пучок перед тем, как тот падал на специальный люминесцентный экран. Первый микроскоп давал увеличение всего в 400 раз, но замена света на электроны открыла дорогу к фотографированию с увеличением в сотни тысяч раз: конструкторам пришлось всего лишь преодолеть несколько препятствий технического характера.
Сейчас электронные микроскопы позволяют фотографировать вирусы крупным планом. Существуют разные модификации приборов, позволяющие не только просвечивать тонкие срезы, но и рассматривать их в «отраженном свете» (в отраженных электронах, конечно). Мы не будем подробно рассказывать про все варианты микроскопов, но заметим, что недавно исследователи смогли создать электронный микроскоп без линз — они научились восстанавливать изображение по дифракционной картине.
Потрогать, а не рассмотреть
Еще одна революция произошла за счет дальнейшего отхода от принципа «осветить и посмотреть». Атомный силовой микроскоп, равно как и сканирующий туннельный микроскоп, уже ничем на поверхность образцов не светит. Вместо этого по поверхности перемещается особо тонкая игла, которая буквально подпрыгивает даже на неровностях размером с отдельный атом.
Не вдаваясь в детали всех подобных методов, заметим главное: иглу туннельного микроскопа можно не только перемещать вдоль поверхности, но и использовать для перестановки атомов с места на место. Именно таким образом ученые создают надписи, рисунки и даже мультфильмы, в которых нарисованный мальчик играет с атомом. Настоящим атомом ксенона, перетаскиваемым иглой сканирующего туннельного микроскопа.
Туннельным микроскоп называют потому, что он использует эффект протекающего через иглу туннельного тока: электроны проходят через зазор между иглой и поверхностью за счет предсказанного квантовой механикой туннельного эффекта. Для работы такого прибора нужен вакуум.
Намного менее требователен к окружающим условиям атомный силовой микроскоп (АСМ) — он может (с рядом ограничений) работать без откачки воздуха. В определенном смысле АСМ является нанотехнологичным наследником патефона. Игла, закрепленная на тонком и гибком кронштейне-кантилевере (cantilever и есть «кронштейн»), движется вдоль поверхности без подачи на нее напряжения и следует рельефу образца так же, как игла патефона следует вдоль бороздок грампластинки. Изгиб кантилевера заставляет отклоняться закрепленное на нем зеркало, зеркало отклоняет лазерный луч, и это позволяет очень точно определять форму исследуемого образца. Главное только иметь достаточно точную систему перемещения иглы, а также запас игл, которые должны быть идеально острыми. Радиус закругления у кончиков таких игл может не превышать одного нанометра.
АСМ позволяет видеть отдельные атомы и молекулы, однако, как и туннельный микроскоп, не позволяет заглянуть под поверхность образца. Иными словами, ученым приходится выбирать между возможностью видеть атомы и возможностью изучать весь объект целиком. Впрочем, и для оптических микроскопов внутренности изучаемых образцов не всегда доступны, ведь минералы или металлы обычно свет пропускают плохо. Кроме того, с фотографированием атомов все равно возникают сложности — эти объекты предстают простыми шариками, форма электронных облаков на таких снимках не видна.
Детектор CMS Большого Адронного Коллайдера
Несмотря на то что ускорители заряженных частиц позволили открыть кварки и выяснить структуру составных частиц, их ни в коем случае нельзя отнести к микроскопам.. Фото: CERN
На просвет
Если заменить свет на рентгеновское излучение, можно просветить и непрозрачные предметы. Настоящий прорыв в этой области произошел тогда, когда физики разработали способ получения ярких пучков рентгеновских лучей и научились управлять ими, создав рентгеновскую оптику.
Синхротронное излучение, возникающее при торможении разогнанных ускорителями заряженных частиц, позволяет изучать окаменевшие останки доисторических животных. Вращая образец под рентгеновскими лучами, мы можем получать трехмерные томограммы — именно так был найден, например, мозг внутри черепа рыб, вымерших 300 миллионов лет назад. Можно обойтись и без вращения, если дополнить регистрацию прошедшего излучения фиксацией рассеянных за счет дифракции рентгеновских лучей.
И это еще не все возможности, которые открывает рентгеновское излучение. При облучении им многие материалы флуоресцируют, причем по характеру флуоресценции можно определить химический состав вещества: таким способом ученые определяют окраску древних артефактов, цвета потускневших рисунков, читают стертые в Средние века труды Архимеда или узнают окраску перьев давно вымерших птиц.
Позируют атомы
На фоне всех тех возможностей, которые предоставляют рентгеновские или оптико-флуоресцентные методы, новый способ фотографирования отдельных атомов уже кажется не таким уж большим прорывом в науке. Суть метода, который позволил получить представленные на этой неделе изображения, такова: с ионизированных атомов срывают электроны и направляют их на специальный детектор. Каждый акт ионизации срывает электрон с определенного положения и дает одну точку на «фотографии». Накопив несколько тысяч таких точек, ученые сформировали картинку, отображающую наиболее вероятные места обнаружения электрона вокруг ядра атома, а это по определению и есть электронное облако.
В заключение скажем, что возможность видеть отдельные атомы с их электронными облаками — это скорее вишенка на торте современной микроскопии. Ученым было важно исследовать структуру материалов, изучать клетки и кристаллы, а обусловленное этим развитие технологий дало возможность дойти до атома водорода. Все, что меньше, — уже сфера интересов специалистов по физике элементарных частиц. А биологам, материаловедам и геологам еще есть куда совершенствовать микроскопы даже с довольно скромным на фоне атомов увеличением. Специалистам по нейрофизиологии, к примеру, давно хочется иметь прибор, способный видеть отдельные клетки внутри живого мозга, а создатели марсоходов продали бы душу за электронный микроскоп, который влезал бы на борт космического аппарата и мог бы работать на Марсе.
Источник: lenta.ru
Научно-исследовательское подразделение IBM Research в Цюрихе опубликовало картинки, которые удалось сгенерировать с помощью сканирующего атомно-силового микроскопа (АСМ). На изображениях можно различить отдельные атомы углерода в шарообразной молекуле C60. Видны даже химические связи между атомами, то есть перекрывающиеся электронные облака («размазанные» электроны, в терминологии Шрёдингера).
В 2009 году именно эта группа учёных IBM впервые получила фотографию отдельной молекулы: вот этот исторический снимок молекулы пентацена из пяти бензольных колец. Та фотография была сделана при температуре 5°K в сверхвысоком вакууме.
Сейчас учёные значительно увеличили разрешение АСМ, хотя работает он на прежнем принципе. На конце чувствительной головки АСМ помещена отдельная молекула угарного газа (CO), которая раскачивается над сканируемой поверхностью. При приближении к «чужим» атомам наша молекула испытывает силы притяжения и слегка меняет амплитуду покачиваний.
Замеряя изменения в амплитуде, АСМ рисует изображение сканируемой поверхности с невероятным разрешением 3 пикометра (3 × 10-12 м), что чуть больше 1/100 от диаметра атома углерода. Синие и зелёные цвета на «фотографии» — это условность.
Столь высокая разрешающая способность микроскопа открывает удивительные перспективы: мы можем своими глазами увидеть, как происходят химические реакции на молекулярном уровне, а также лучше изучить структуру материалов с уникальными свойствами, таких как графен. Теоретически было известно, что атомы углерода в графене и других веществах находятся на разном расстоянии друг от друга и отличаются силой связей: если в том же графене они сильные, то в молекулах, например, ароматических углеводородов связи гораздо слабее, хотя атомная решётка там похожей гексагональной формы. Теперь мы можем своими глазами увидеть эту разницу.
Лучшее изучение молекулярной структуры продвинет вперёд исследования новых материалов и позволит создать более эффективные органические фотоэлементы, органические светодиоды (OLED) и другие материалы.
Результаты исследования IBM Research опубликованы в журнале Science.
Источник: habr.com
Благодаря электронной микроскопии, то мы давно смогли увидеть красоту отдельных атомов. Первые изображения отдельных атомов в металлической решетке или поверхностном слое были получены в 1970-х при помощи метода трансмиссионной электронной микроскопии (ТЭМ). Дальнейшее совершенствование этого метода в лаборатории Лоуренса в Беркли позволило достичь разрешения меньше радиуса атома водорода. Но как ни странно это может показаться, изображения больших молекул на том же уровне детализации получать не удавалось. Органические молекулы (а именно они обладают наибольшими размерами), недостаточно прочны, чтобы выдерживать электронную бомбардировку.
Дальнейшее развитие метода привело к появлению сканирующей туннельной микроскопии (СТМ), когда зонд измеряет изменение плотности зарядов, связанных с отдельными атомами, и сканирующей атомно-силовой микроскопии (САСМ), основанной на измерении ван-дер-ваальсова взаимодействия поверхности зонда с поверхностью исследуемого образца. Оба способа позволяют создавать изображения поверхности и пригодны для работы с изображениями отдельных молекул, но далеки от детализации ТЭМ. Теперь исследователи IBM придумали способ сделать это.
Лео Гросс и его коллеги из IBM в Цюрихе смогли, видоизменив САСМ, получить максимально подробное изображение пентацена, органических молекул, состоящих из пяти бензольных колец (см. рисунок). Исследователям удалось определить узлы гексагональных колец углерода и вывести позиции окружающих атомов водорода.
Одним из ключевых ноу-хау является способ предотвращения реакции микроскопа на прилипание пентацена за счет электростатических и ван-дер-ваальсовых сил. Команда достигла этого путем размещения одной (!) молекулы монооксида углерода на конце зонда, чтобы только один атом кислорода относительно неактивным вступил в контакт с пентаценом. Хотя силы поверхностного притяжения действуют квантово-механический эффект (запрет Паули) формирует силы отталкивания электронов пентацена и молекулы оксида углерода.
Исследователи измерили силу отталкивания зонда в каждой точке смогли бы построить “силовое” изображение молекулы. Пока это самое высокое достигнутое разрешение. В IBM считают, что их техника может открыть двери для наноэлектроники, компоненты которой строятся с точным позиционированием атомов и молекул. Работа может также дать ответ на действия катализаторов в реакции, что позволяет исследователям понять, что происходит на атомном уровне, говорит Гросс.
По материалам New Scientist
Запись опубликована almapater.ru .Вы можете оставить комментарии здесь или тут
Источник: alex-naumov.livejournal.com