Що ми побачимо якщо подивимося на молекулу або атом в оптичний мікроскоп?

Що ми побачимо якщо подивимося на молекулу або атом в оптичний мікроскоп?

Усім людям, а тим більше школярам, добре знайомі картинки типу тій, що приведена вище. Проте чи побачимо ми щось подібне якщо дивитимемося на молекулу або атом навіть через найкрутіший оптичний мікроскоп?


Ми знаємо, що існують такі оптичні прилади як мікроскопи. Ці пристрої дозволяють розглянути дуже маленькі об'єкти. У них можна розглянути клітини живих організмів і навіть їх внутрішню структуру, а також багато що інше з того, що не видно звичайним оком. Але чи можна зробити крок далі, і побачити молекули з яких полягають клітини?

Строго кажучи, у усіх мікроскопів є деяка межа, до якої вони можуть збільшувати картинку, або іншими словами, наскільки маленький об'єкт в них можна розглянути. І відразу чесно признаємося, що не існує такого оптичного мікроскопа, в який можна було б розглянути об'єкт такий же маленький як одна молекула або атом. Цьому перешкоджають деякі фундаментальні закони оптики.

Проте припустимо все ж, що нам вдалося добути мікроскоп з таким шикарним дозволом, що він готовий був би нам показати такий же маленький об'єкт як одна молекула або атом. І ось ми навели цей мікроскоп на один єдиний атом або молекулу, що ж ми побачимо?

Відповідь дуже проста: фактично нічого. Річ у тому, що світло складається з фотонів. І щоб побачити який-небудь об'єкт в мікроскоп або навіть просто оком, і щоб розглянути його структуру, нам необхідно щоб багато фотонів відбивалося одночасно від різних частин цього об'єкту і удосталь потрапляли після цього в окуляр оптичного приладу або до нас в око. Звичайно можлива також ситуація, що об'єкт сам світиться тобто випромінює фотони. Сенс залишається тим же, багато фотонів від різних частин об'єкту повинні одночасно потрапляти в оптичний прилад.


Але молекули або атоми взаємодіють з фотонами по-іншому. Вони не відбивають їх. Молекули і атоми уміють тільки поглинати або випускати фотони. А найчастіше фотони взагалі пролітають повз молекули і атоми не взаємодіючи. Одночасно атом або молекула випромінює зазвичай усього тільки один фотон, який після цього летить в непередбачуваному напрямі. До того ж, для того, щоб молекула або атом випромінювала фотон, треба щоб вона(чи він) спочатку поглинули інший фотон.

Таким чином, наш експеримент по спостереженню молекули в мікроскоп виглядав би так: ми освітлюємо світлом атом або молекулу, але більшість фотонів пролітають повз досліджуваний атом або молекулу. Потім в деякий момент, один з фотонів все ж поглинається, а через деякий час атом або молекула випромінюють в непередбачуваному напрямі аналогічний фотон(частенько до речі, він летить в ту ж сторону, звідки прилетів раніше поглинений фотон).

Таким чином, цей єдиний фотон, що випромінює молекулою або атомом, ми навряд чи зможемо відрізнити від того підсвічування, якому світимо на досліджуваний об'єкт, тобто мільярдів інших таких же фотонів, що летять поруч. А якщо молекулу не підсвічувати, то фотона, що випромінює нею, можливо доведеться чекати дуже довго.

Але навіть якщо ми і зможемо відокремити фотон, що вилетів з молекули, від фотонів підсвічування, то проте, краще, чого ми можемо чекати від молекули або атома, на які дивимося в оптичний мікроскоп, так це те, що в деякий непередбачуваний момент, вона(чи він) все ж випромінюватиме у бік окуляра мікроскопа один фотон. Оку людини недостатньо одного фотона щоб побачити хоч щось. Але мікроскоп ймовірно можна зробити таким, що він зможе засікти і посилити сигнал, отриманий при попаданні одного єдиного фотона.

У будь-якому випадку краще що ми отримаємо при спостереженні молекули або атома в найкрутіший оптичний мікроскоп, так це зникаюче маленькі і рідкісні спалахи світла, що тривають в течії вислизаючої миті, виникають в непередбачувані моменти. Ці спалахи при цьому ніяк візуально не відбиватимуть структуру молекули або атома(хоча їх спектр і міститиме деяку інформацію про неї), і ми так і не побачимо картинки подібною до того, що приведена вище. Взагалі кажучи, картинка вище це лише погана візуалізація внутрішньої структури атома, яка була досліджена за допомогою інших методів, але ніяк не за допомогою оптичного мікроскопа.