Як побачити атом

Прилад, яким скористалися вчені, створював сфокусований електронний пучок поперечником всього 5 ангстрем. Це в десятки тисяч разів тонше людського волосся. Досліджувана речовина містилася у фокусі цього пучка. Доля електронів, падаючих на об’єкт, різна: вони можуть пружно розсіюватися атомами речовини, подібно більярдним кулям, що відскакують від бортів більярду; вони можуть розсіюватися непружно, втрачаючи швидкість, як відбувається при зіткненні куль з пластиліну; нарешті, вони можуть пройти через об’єкт, не взаємодіючи з його атомами і не змінюючи ні напрямку своєї швидкості, ні її величини. Для успіху всієї справи були важливі дві обставини: по-перше, чим більше атомний номер речовини (іншими словами, чим більше її атомна вага), тим більше буде кількість як пружно, так і непружно розсіяних електронів.

По-друге, при пружному розсіянні електрони сильно відхиляються від первісного напрямку, а при непружному вони відхиляються на невеликі кути, так що їх початковий напрямок приблизно зберігається. Тому шляхом невеликої хитрості можна розділити пружно розсіяні і непружно розсіяні електрони. Додавши сюди прилад — спектроаналізатор енергії, що дозволяє розділити електрони різних енергій в одному пучку, — відокремимо ті електрони, що не взаємодіють з атомами взагалі.

Таким чином, вся складність сортування «потрібних» електронів, тих, що можуть дати зображення атомів, від непотрібних була подолана. Але будь-який об’єкт під мікроскопом — це сам об’єкт плюс підкладка, на якій він лежить. По-перше, як покласти на підкладку один атом? А по-друге, як зняти ефект від підкладки? Адже її атоми теж будуть розсіювати електрони. З першим впоратися важко. Якщо пляма у нас 5 ангстрем, значить, треба нанести на предметний столик такий слабкий розчин речовини, щоб на плямочку електронного променя припадало менше одного атома. З другою проблемою впоратися важче. Але і її вдалося вирішити. Як підкладки використовували дуже тонку вуглецеву плівку, всього в 20 ангстрем товщиною.

Таку плівку отримати неважко. Якщо у пляму потрапить 1 атом речовини, то на екрані у нас буде картинка від цього одного атома плюс всі атоми підкладки в обсязі циліндра з основою 5 ангстрем заввишки 20 ангстрем (товщина плівки). Здавалося б, безнадійна ситуація. Але розрахунок показав, що присутність одного важкого атома типу урану змінює сигнал майже на 70 відсотків порівняно з сигналом від чистої плівки.

Першою випробуваною речовиною був уранил-ацетат. Дуже слабкий розчин цієї речовини наносився на чисту вуглецеву плівку, яка потім підсушувалась. Її помістили під електронний промінь — і на екрані з’явилися яскраві плями. Чиста вуглецева плівка таких плям не давала. Чоловік побачив окремі атоми!

Але, може бути, ці світлі плями зовсім не атоми урану, а виникли з-за неоднакової товщини плівки або в результаті коливання інтенсивності самого електронного пучка? Розрахунок показав, що навіть при самих несприятливих умовах обидві причини не можуть змінити сигнал з детектора більш ніж на 20 відсотків, а спостережна зміна становила від 40 до 70 відсотків! І нарешті, остання експериментальна перевірка того, що спостерігалося саме індивідуальні важкі атоми. Ідея була проста і дотепна. Для випробування взяли таку речовину, молекули якої важкі атоми розташовані на відомій відстані один від одного.

Це продукт реакції вже знайомого нам уранил-ацетату з речовиною, що має не надто поетичну назву «1, 2, 4, 5 – бензолтетракарбонієва кислота».

Молекули цієї речовини два атома урану віддалені один від одного на 13 ангстрем. Вуглецеву плівку з такою речовиною поклали на предметний столик мікроскопа — і на екрані з’явилися пари яскравих плям, причому відстань між ними відповідала величині теоретичної 13! Перемога!

Мало того. Ці містячі уран молекули здатні об’єднуватися по дві, три і т. д., утворюючи діамери, тримери і т. п. Тоді відстань між атомами в цих складних молекулах-агрегатах буде близько до рядку 13, 26, 39 А і т. д.

Вимірювання яскравих плям показали, що відстань між ними дійсно підкоряється цій закономірності.

В руках вчених з’явилася нова зброя; з її допомогою ми можемо не тільки спостерігати окремі атоми, але і вивчити їх розташування і навіть вимірювати відстані між ними. Образно кажучи, молекулу з важкими атомами можна покласти на предметний столик мікроскопа і прямо побачити, де і як вони розташовані.

А що якщо прикріпити окремі атоми важких елементів як своєрідні «мітки» до складних молекул? Справді, припустимо, що нам треба дослідити порядок чергування основ у знаменитій молекулі ДНК. Якщо нам вдасться підібрати «мітку» з атомів якого-небудь важкого металу для кожної з чотирьох основ, що входять у молекулу ДНК, то, спостерігаючи в наш мікроскоп, можна буквально «на око» рахувати
цей порядок, який визначає генетичну інформацію, «записану» в молекулі ДНК. Для кожної основи, зрозуміло, потрібна своя «мітка» — атом.

Вже виявлено, що одна з солей осмію може приєднуватись до тиміну — одної з чотирьох основ, щояк раз і є кодуючими знаками в ланцюзі ДНК. Можливо, це дозволить за допомогою скануючого електронного мікроскопа простежити структуру всього ланцюга ДНК, спостерігаючи, де на ньому розташовані «мітки» — атоми осмію.

Пошуки таких «міток» сильно полегшали б, якщо б за допомогою електронного мікроскопа вдалося побачити атоми з меншим атомним номером, наприклад молібдену або срібла.

Для цього роздільну здатність потрібно підвищити до 2-3 А. Це важко. Розсіювання електронів на легких атомах інше, ніж на важких. У результаті умови спостереження окремих атомів значно погіршуються, зокрема зменшується контрастність. Але дослідники не втрачають надії на успіх.

Автор: Л. Самсоненко.