Как увидеть атом

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

Прибор, которым воспользовались ученые, создавал сфокусированный электронный пучок поперечником всего 5 ангстрем. Это в десятки тысяч раз тоньше человеческого волоса. Исследуемое вещество помещалось в фокусе этого пучка. Судьба электронов, падающих на объект, различна: они могут упруго рассеиваться атомами вещества, подобно бильярдным шарам, отпрыгивающим от бортов бильярда; они могут рассеиваться неупруго, теряя скорость, как происходит при столкновении шаров из пластилина; наконец, они могут пройти через объект, не взаимодействуя с его атомами и не меняя ни направления своей скорости, ни ее величины. Для успеха всего дела были важны два обстоятельства: во-первых, чем больше атомный номер вещества (иными словами, чем больше его атомный вес), тем больше будет количество как упруго, так и неупруго рассеянных электронов.

Во-вторых, при упругом рассеянии электроны сильно отклоняются от первоначального направления, а при неупругом они отклоняются на небольшие углы, так что их первоначальное направление приблизительно сохраняется. Поэтому путем небольшой хитрости можно разделить рассеянные упруго и неупруго электроны. Добавив сюда некий прибор — спектроанализатор энергии, позволяющий разделить электроны разных энергий в одном и том же пучке,— отделим те электроны, что не взаимодействуют с атомами вообще.

Таким образом, вся сложность сортировки «нужных» электронов, тех, что могут дать изображение атомов, от ненужных была преодолена. Но любой объект под микроскопом — это сам объект плюс подложка, на которой он лежит. Во-первых, как положить на подложку один атом? А во-вторых, как снять эффект от подложки? Ведь ее атомы тоже будут рассеивать электроны. С первым справиться нетрудно. Если пятно у нас 5 ангстрем, значит, надо нанести на предметный столик такой слабый раствор вещества, чтобы на пятнышко электронного луча приходилось меньше одного атома. Со второй проблемой справиться труднее. Но и ее удалось решить. В качестве подложки использовали очень тонкую углеродную пленку, всего в 20 ангстрем толщиной.

Такую пленку получить нетрудно. Если в пятно попадет 1 атом вещества, то на экране у нас будет картинка от этого одного атома плюс все атомы подложки в объеме цилиндра с основанием 5 ангстрем и высотой 20 ангстрем (толщина пленки). Казалось бы, безнадежная ситуация. Но расчет показал, что присутствие одного тяжелого атома типа урана изменяет сигнал почти на 70 процентов по сравнению с сигналом от чистой пленки.

Первым испытанным веществом был уранил-ацетат. Очень слабый раствор этого вещества наносился на чистую углеродную пленку, которая затем подсушивалась. Ее поместили под электронный луч — и на экране появились яркие пятна. Чистая углеродная пленка таких пятен не давала. Человек увидел отдельные атомы!

Но, может быть, эти светлые пятна совсем не атомы урана, а возникли из-за неодинаковой толщины пленки или в результате колебании интенсивности самого электронного пучка? Расчет показал, что даже при самых неблагоприятных условиях обе причины не могут изменить сигнал с детектора более чем на 20 процентов, а наблюдаемое изменение составляло от 40 до 70 процентов! И наконец, последняя экспериментальная проверка того, что наблюдались именно индивидуальные тяжелые атомы. Идея была одновременно проста и остроумна. Для испытания взяли такое вещество, у молекул которого тяжелые атомы расположены на известном расстоянии друг от друга.

Это продукт реакции уже знакомого нам уранил-ацетата с веществом, имеющим не слишком поэтическое название «1, 2, 4, 5- бензолтетракарбониевая кислота».

У молекулы этого вещества два атома урана удалены друг от друга на 13 ангстрем. Углеродную пленку с таким веществом положили на предметный столик микроскопа — и на экране появились пары ярких пятен, причем расстояние между ними соответствовало теоретической величине 13 А! Победа!

Мало того. Эти содержащие уран молекулы способны объединяться по две, три и т. д., образуя диамеры, тримеры и т. п. Тогда расстояние между атомами в этих сложных молекулах-агрегатах будет близко к ряду 13, 26, 39 А и т. д.

Измерения ярких пятен показали, что расстояние между ними действительно подчиняется этой закономерности.

В руках ученых появилось новое оружие; с его помощью мы можем не только наблюдать отдельные атомы, но и изучить их расположение и даже измерять расстояния между ними. Образно говоря, молекулу с тяжелыми атомами можно положить на предметный столик микроскопа и прямо увидеть, где и как они расположены.

А что если прикрепить отдельные атомы тяжелых элементов как своеобразные «метки» к сложным молекулам? В самом деле, предположим, что нам надо исследовать порядок чередования оснований в знаменитой молекуле ДНК. Если нам удастся подобрать «метку» из атомов какого-либо тяжелого металла для каждого из четырех оснований, входящих в молекулу ДНК, то, наблюдая в наш микроскоп, можно буквально «на глаз» считать
этот порядок, который определяет генетическую информацию, «записанную» в молекуле ДНК. Для каждого основания, разумеется, нужна своя «метка» — атом.

Уже обнаружено, что одна из солей осмия может присоединяться к тимину — одному из четырех оснований, как раз и являющихся кодирующими знаками в цепи ДНК. Возможно, это позволит при помощи сканирующего электронного микроскопа проследить структуру всей цепи ДНК, наблюдая, где на ней расположены «метки» — атомы осмия.

Поиски таких «меток» сильно облегчились бы, если бы при помощи электронного микроскопа удалось увидеть атомы с меньшим атомным номером, например молибдена или серебра.

Для этого разрешающую способность нужно повысить до 2—3 А. Это трудно. Рассеяние электронов на легких атомах иное, чем на тяжелых. В результате условия наблюдения отдельных атомов значительно ухудшаются, в частности уменьшаемся контрастность. Но исследователи не теряют надежды на успех.

Автор: Л. Самсоненко.