از ۲۵۰۰ سال پیش که دموکریتوس برای اولین بار نظریه‌ی اتم را مطرح کرد دیدن اتم‌ها برای بشر همچون رویایی دست‌نیافتنی به نظر می‌رسیده است. نکته‌ی تأسف‌انگیز در این خصوص این بوده است که در مقیاس‌های بسیار کوچک مفهوم «دیدن» معنای خود را از دست می‌دهد و نور نمی‌تواند ذرات با ابعاد کمتر از طول موج خود را بخوبی آشکار کند. یعنی اگر بهترین میکروسکوپ نوری را در اختیار داشته باشید قادر نخواهید بود ذرات با ابعاد کمتر از ۱۰۰ نانومتر را ببینید (هر میلی‌متر برابر ۱ میلیون نانومتر است). لازم به ذکر است که اتم‌ها ابعاد در حد یک دهم نانومتر دارند.

اما شناخت اجزای اتم در قرن گذشته راه‌های جدیدی را به روی ما باز کرد. الکترون نیز مانند نور می‌تواند خاصیت موجی داشته باشد و نکته‌ی بسیار مهم در خصوص آن این است که می‌توان با میدان مغناطیسی سرعت آن را زیاد کرد که به طور متقابل باعث کم شدن طول موج آن می‌شود. این اصل پایه‌ی میکروسکوپ‌های الکترونی را بنا نهاد که از الکترون به جای نور در آن‌ها استفاده می‌شود و لنزهای آن‌ها به جای شیشه از کویل‌های مغناطیسی ساخته شده‌اند.

انواع مختلفی از میکروسکوپ‌های الکترونی ساخته شده است که معروف‌ترین آن‌ها «میکروسکوپ الکترونی روبشی» و «میکروسکوپ الکترونی عبوری» هستند. میکروسکوپ الکترونی روبشی یا SEM یک باریکه‌ی الکترونی را به سطح تابانده و با حرکت دادن آن، سطح را اسکن (روبش) می‌کند و اطلاعات سطحی مختلف و کارآمدی را جمع‌آوری می‌کند. این اطلاعات حتی شامل جنس اتم‌های سطحی و پیوندهای شیمیایی آن‌ها نیز می‌باشد. میکروسکوپ SEM می‌تواند ذرات در حد ۱ نانومتر را آشکار کند ولی هنوز هم با دیدن اتم مقداری فاصله داریم و بهتر است به سراغ غول بزرگنمایی الکترونی یعنی TEM برویم.

میکروسکوپ الکترونی عبوری یا TEM همانطور که از نام آن مشخص است با عبور دادن باریکه‌ی الکترونی از جسم اطلاعات جمع‌آوری می‌کند. بدیهی است برای اینکه الکترون‌ها بتوانند از جسم عبور کنند باید آن را خیلی نازک کنیم. میکروسکوپ‌های الکترونی عبوری نوین می‌توانند تا ۵۰ میلیون برابر بزرگ‌نمایی داشته باشند و اتم‌ها را نیز آشکار کنند. در ادامه تصویری از اتم‌های نیتروژن و بور را مشاهده می‌کنید که توسط این میکروسکوپ آشکار شده‌اند.

آیا اتم قابل دیدن است؟ تصویر اتم‌های نیتروژن و بور

این اتم‌ها در واقع در ساختار نیترید بور به هم پیوند خورده‌اند و ساختاری شش‌ضلعی خلق کرده‌اند. به تفاوت اندازه‌ی اتم‌های نیتروژن (نقاط روشن بزرگ‌تر) و بور (نقاط روشن کوچک‌تر) دقت کنید. لازم به ذکر است که نقاط رنگی قرمز و آبی توسط انسان برای نشان دادن اتم‌ها ایجاد شده‌اند و در این ابعاد، رنگ معنای خود را از دست می‌دهد. چون رنگ در واقع مرتبط با نور مرئی و ادراک مغزی ما از طیف‌های مختلف آن است.

خط اندازه‌ای که در پایین سمت راست تصویر مشاهده می‌کنید در واقع معادل با دو انگستروم یا دو دهم نانومتر است. نکته‌ی بسیار مهمی که در مورد این تصویر باید بدانید این است که خود عمل تصویربرداری توسط الکترون ممکن است باعث شود ساختار اتم‌ها به هم بخورد و برای رسیدن به این وضوح سختی‌های بسیار زیادی پشت سر گذاشته شده است. در واقع شما اتم‌ها را با یکی از اجزای خود اتم‌ها (الکترون) آشکار کرده‌اید.

مراجع:

Democritus

Optical microscope

Scanning electron microscope

Transmission electron microscopy