background image

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, 

Ŝ

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

Ŝ

 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

Ŝ

yciu takiego mikroskopu byłoby mo

Ŝ

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, 

Ŝ

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

background image

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

Ŝ

ynierowie, nie byli

ś

my 

ś

wiadomi hipotezy de Broglie'a a

Ŝ

 do połowy 1932 

roku (...) Nie przypominam sobie dzi

ś

 pierwszych dyskusji z Knollem o tym 

nowym rodzaju fal, byłem zreszt

ą

 rozczarowany, 

Ŝ

e znowu rozdzielczo

ść

 

ograniczona b

ę

dzie własno

ś

ciami falowymi. Szybko jednak pocieszyłem si

ę

Ŝ

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

Ŝ

 fale 

ś

wietlne. 

Spodziewano si

ę

Ŝ

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

Ŝ

na uzyska

ć

 tylko przy u

Ŝ

yciu bardzo małych przesłon, a to pogarsza 

mo

Ŝ

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

Ŝ

ywionej dyskusji w latach trzydziestych była równie

Ŝ

 sprawa 

preparatów, które mo

Ŝ

na by ogl

ą

da

ć

 za pomoc

ą

 mikroskopu elektronowego. 

Podobnie jak kineskopy i lampy elektronowe, wymagał on bowiem pró

Ŝ

ni, aby 

nic oprócz preparatu nie rozpraszało elektronów, a preparaty musiały by

ć

 

niezwykle cienkie, nie grubsze ni

Ŝ

 dziesi

ą

te cz

ęś

ci mikrometra. Zdawano 

sobie spraw

ę

Ŝ

e nie ma mowy o ogl

ą

daniu 

Ŝ

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

Ŝ

liwe. 

Nic wi

ę

c dziwnego, 

Ŝ

e pierwsze obrazy ujawniaj

ą

ce atomy w ciele stałym 

uzyskano przy u

Ŝ

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

background image

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

Ŝ

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

Ŝ

u ostrza, ulegały jonizacji w polu elektrycznym, 

które osi

ą

gało tam bardzo du

Ŝ

e nat

ęŜ

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

Ŝ

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, 

Ŝ

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

Ŝ

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

Ŝ

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

Ŝ

 lat metodami po

ś

rednimi, głównie przy 

u

Ŝ

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

Ŝ

szy od dobrego mikroskopu 

optycznego. Trzeba było równie

Ŝ

 nauczy

ć

 si

ę

 interpretowania uzyskiwanych 

obrazów. Pami

ę

tajmy, 

Ŝ

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

background image

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

Ŝ

 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, 

Ŝ

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 

Ŝ

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

Ŝ

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

Ŝ

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

Ŝ

 do najdrobniejszych jej 

elementów. Dzi

ś

, si

ę

gaj

ą

c poziomu makrocz

ą

steczkowego, umo

Ŝ

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

background image

decyduj

ą

cych o ró

Ŝ

nych własno

ś

ciach materiałów, nie tylko o ich 

wytrzymało

ś

ci mechanicznej czy odporno

ś

ci na zu

Ŝ

ycie, ale równie

Ŝ

 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

Ŝ

 sam z 

niej korzystał, staj

ą

c si

ę

 uniwersalnym, wielofunkcyjnym przyrz

ą

dem 

analitycznym. Post

ę

p w elektronice umo

Ŝ

liwił równie

Ŝ

 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

Ŝ

ne obrazy 

tej samej powierzchni - obraz elektronowy, rentgenowski lub 

ś

wietlny, zale

Ŝ

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

Ŝ

 ka

Ŝ

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

Ŝ

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

Ŝ

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

Ŝ

ytego do budowy głowicy 

magnetowidu. 

Obraz w mikroskopie skaningowym nie jest statyczny, powstaje punkt po 

punkcie, odzwierciedlaj

ą

c sygnały z detektora. Umo

Ŝ

liwia to ró

Ŝ

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

background image

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

Ŝ

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

Ŝ

szych uczelni, ale 

równie

Ŝ

 w instytutach przemysłowych i mikrobiologicznych. Korzystaj

ą

 z nich 

naukowcy, ale tak

Ŝ

e pracownicy tak ró

Ŝ

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

Ŝ

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

ąŜ

kami (pr

ąŜ

ki s

ą

 wynikiem interferencji fal elektronowych w klinowym 

obszarze jednego z ziaren, podobnie jak pr

ąŜ

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

Ŝ

 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

Ŝ

 Ernst 

Ruska, konstruktor pierwszych mikroskopów elektronowych w latach 

trzydziestych. Zasada działania mikroskopu tunelowego o tyle przypomina 

skaningowy mikroskop elektronowy, 

Ŝ

e po powierzchni próbki, a wła

ś

ciwie tu

Ŝ

 

Strona 6 z 9

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

2008-03-10

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

background image

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

Ŝ

y

ć

 niewielkie napi

ę

cie, to 

mechanika kwantowa mówi, 

Ŝ

e przy dostatecznym zbli

Ŝ

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

ęŜ

ony z detektorem 

pr

ą

du tunelowego komputer umo

Ŝ

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

Ŝ

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

Spełniło si

ę

 proroctwo Abbego. Pojawił si

ę

 przyrz

ą

d, który mo

Ŝ

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, 

Ŝ

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

Ŝ

yli atomy ksenonu 

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

Ŝ

e utworzyły miniaturowy napis IBM, w którym wysoko

ść

 liter równa była 

pi

ę

ciu atomom, była to zabawa. Uwa

Ŝ

a

ć

 j

ą

 mo

Ŝ

na jednak za moment narodzin 

nanoin

Ŝ

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

background image

W jakim stopniu jest to czym

ś

 wi

ę

cej ni

Ŝ

 atrakcyjn

ą

 nazw

ą

, o tym zadecyduje 

przyszło

ść

. Potencjalne mo

Ŝ

liwo

ś

ci s

ą

 olbrzymie. Mo

Ŝ

na b

ę

dzie nie tylko 

tworzy

ć

 konfiguracje atomowe nieznane dotychczas przyrodzie - to domena 

in

Ŝ

ynierii materiałowej XXI wieku, ale tak

Ŝ

e "reperowa

ć

" pojedyncze 

cz

ą

steczki. Ta druga mo

Ŝ

liwo

ść

 kusi badaczy w dziedzinie biologii i medycyny, 

którzy ju

Ŝ

 od pewnego czasu staraj

ą

 si

ę

 rozszyfrowa

ć

 zapisy genetyczne 

zawarte w ła

ń

cuchach cz

ą

steczek DNA 

Ŝ

ywych organizmów i próbuj

ą

 

opracowa

ć

 sposoby korekcji tego zapisu. 

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

Ŝ

emy 

uzyska

ć

 obraz układu atomów czy zaburze

ń

 w regularno

ś

ci takiego układu, 

mo

Ŝ

emy nawet ujawni

ć

 miejsce, w którym atom powinien si

ę

 znajdowa

ć

, cho

ć

 

go tam nie ma. Potrafimy ju

Ŝ

 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

Ŝ

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, 

Ŝ

e znajomo

ść

 miejsca poło

Ŝ

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

Ŝ

 od prawie osiemdziesi

ę

ciu lat, a jednocze

ś

nie tak, aby 

był dla nas czytelny, to jest mo

Ŝ

liwie statyczny (atomy s

ą

 przecie

Ŝ

 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

Ŝ

 w fizyce obej

ść

 si

ę

 bez pomocy 

coraz pot

ęŜ

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

background image

"Ubrane w obraz" wyniki eksperymentów porównuje si

ę

 z wynikami 

komputerowych oblicze

ń

 mo- deluj

ą

cych rzeczywisto

ść

. To s

ą

 równie

Ŝ

 

najcz

ęś

ciej obrazy, na których ró

Ŝ

norodne modele cz

ą

steczek zbudowane s

ą

 

z obłoczków, patyczków lub kulek. Musimy si

ę

 nauczy

ć

 odró

Ŝ

nia

ć

 to, co w 

takich obrazach jest istotne: odległo

ś

ci, k

ą

ty, nat

ęŜ

enia, od tego, co słu

Ŝ

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

Ŝ

liwiaj

ą

 ujawnienie ziarnistej, atomowej 

struktury materii, z tak wielkim po

Ŝ

ytkiem dla rozwoju nauki i techniki. 

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

Ŝ

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