Что "видят" электронные микроскопы?

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Что «видят» электронные микроскопы?

Канарёв Ф.М.

Достижения экспериментаторов в фотографировании обитателей микромира впечатляют. Однако почти все они ошибаются в определении разрешающей способности своих микроскопов. Новая теория микромира значительно облегчает интерпретацию сфотографированных структур микромира, позволяет выявлять противоречия в оценке разрешающей способности электронных микроскопов и устанавливать её величину, близкую к реальной.

Известно, что информацию в наши глаза приносят фотоны светового диапазона со средней длиной волны , которые позволяют нашим глазам различить объект размером, примерно, . Из этого следует, что минимальное количество фотонов, приносящих в наши глаза образ объекта в виде точки с радиусом , равно .

Создатели электронных микроскопов 40 лет назад объявили, что их микроскопы различают объекты размером в один ангстрем, то есть . Сообщалось также, что попытки улучшить этот показатель не имели успеха. Почему?

Оценим достоверность разрешающей способности электронного микроскопа, с помощью которого получены фотографии нано трубок (рис. 1, а). Если отнестись с доверием к масштабной вертикальной линии 1мкм (), представленной на рис. 1, а, и предположить, что сечения нано трубок на этом рисунке в 10 раз меньше масштабной линии, то это будет означать, что разрешающая способность электронного микроскопа, на представленной фотографии (рис. 1, а), составляет . Объект меньшего размера этот электронный микроскоп уже не видит.

Рис. 1: а) фото нано трубок; b) рисунок нано трубки

Конечно, для проверки достоверности разрешающей способности электронного микроскопа надо знать реальные размеры хотя бы одного обитателя микромира. Главным кандидатом на эту роль является атом водорода, так как он выполняет функции соединительного звена между атомами в молекулах.

Однако, ортодоксальные теории не позволили определить ни одного размера атома водорода, так как представляют его в виде сферического облака, не имеющего чётких границ. Новая теория микромира раскрыла структуру атома водорода и позволяет рассчитывать его геометрические параметры. Главный из них - длина атома, как соединительного звена, объединяющего атомы в молекулы. Согласно новой теории микромира электроны атомов взаимодействуют с протонами ядер не орбитально, а линейно. Это позволяет использовать закон Кулона для вычисления длины атома водорода.

Закон Кулона позволяет определить расстояние между протоном и электроном атома водорода в момент пребывания его на любом энергетическом уровне . Поскольку энергия связи протона с электроном в момент пребывания его на первом энергетическом уровне равна энергии ионизации атома то при имеем (табл. 1) [1]

 (1)

Подставляя в формулу (1) и энергии связи , следующие из табл. 1, при , получим теоретические расстояния между протоном и электроном атома водорода в момент пребывания электрона на разных () энергетических уровнях (табл. 1).

Таблица 1. Спектр атома водорода, энергии связи между протоном и электроном, и расстояния между ними [1]

В молекулах водорода энергии связи электронов с протонами принимают значения между энергиями связи соответствующими двум энергетическим уровням атомарного состояния (табл. 1). Величины этих энергий зависят от температуры среды, в которой находятся фотографируемые атомы или молекулы. Анализ показывает, что при комнатной температуре электроны атомов водорода в его молекулах находятся, примерно, между вторыми и третьими энергетическими уровнями, соответствующими их атомарному состоянию. Тогда, в соответствии с табл. 1, энергия связи электрона атома водорода с его протоном в момент, когда он выполняет функции звена, связующего атомы в молекулы, примерно, равна . Подставляя эту величину в формулу (1), получим длину атома водорода, как звена, связывающего атомы в молекулы. Она будет равна .

Итак, известно примерное теоретическое расстояние () между электроном и протоном атома водорода в момент, когда он выполняет функции соединительного звена между атомами в молекулах при комнатной температуре. Это даёт основание использовать это расстояние для оценки разрешающей способности электронных микроскопов, фотографирующих атомы и молекулы.

Проанализируем разрешающую способность японского сканирующего электронного микроскопа, с помощью которого группа исследователей Токийского университета во главе с профессором Юити Икухарой сфотографировала, как они считают, отдельно атом водорода и атом ванадия (рис. 2, а) [2].

Не ясно, почему японские учёные считают, что тёмные пятна на их фотографии соответствуют атомам водорода и ванадия. Скорее, наоборот, светлые пятна на фото соответствуют указанным атомам. Масштабная линия на фото (рис. 2, а) соответствует двум ангстремам. Длина этой линии равна, примерно, расстояниям между тёмными пятнами, которые, как считают японские исследователи, являются атомами водорода и ванадия.

Теоретическая модель атома водорода показана на рис. 2, с. Обратим внимание на то, что размер электрона на три порядка (1000 раз) больше размера протона , а длина атома водорода на два порядка больше размера электрона. Посмотрим, можно ли использоовать теоретическую величину атома водорода в качестве эталонной длины при анализе разрешающей способности электронных микроскопов. Для этого представим длину атома водорода в сравнении с длиной масштабной линии. В результате длина атома водорода окажется такой, как показана на рис. 2, b.

Рис. 2: а) японское фото, на котором символом Н отмечены атомы водорода, символом V - атомы ванадия, М - масштабная линия; b) модель атом водорода в масштабе масштабной линии М; c) теоретическая модель атома водорода и его размеры в невозбуждённом состоянии

В представленном увеличении длина масштабной линии М на рис. 2, а, равна 15 мм. Она соответствует . Теоретическая длина атома водорода (рис. 2, с) в больше. Из этого следует, что длина атома водорода в масштабе масштабной линии М на рис. 2, а должна быть равна 15х3,5=52,5мм (рис. 2, b).

Дальше мы покажем, что расстояние между тёмными пятнами на фото (рис. 2, а) равно суммарной длине минимум трёх атомов водорода, то есть 52,5х3=157,3мм. Учитывая, что длина масштабной линии на рис. 2, а равна 15мм, получаем минимум 10-ти кратное завышение разрешающей способности японского микроскопа. Так что японские исследователи поспешили с публикацией информации, согласно которой им удалось сфотографировать атом водорода, их микроскоп не видит атомы водорода.

А теперь проанализируем электронные фотографии европейских исследователей http://www.membrana.ru/particle/14065 [2]. Наиболее яркой фотографией электронного микроскопа является фотография графена, полученная европейскими исследователями (рис. 3, а). На рис. 3, b - компьютерная визуализация графена, ярко доказывающая линейное взаимодействие электронов атомов углерода при формировании углеродного кластера - графена. Белые пятна на фото (рис. 3, а) - атомы углерода, состоящие из ядер и 6-ти его электронов. Четкие шестигранные структуры из атомов углерода (рис. 3, а и b) убедительно свидетельствуют о наличии линейных связей между ними. Эти связи реализуют 3 валентных электрона (из общих 6-ти) каждого атома углерода. Это наглядно следует из теоретической структуры (рис. 4, с) атома углерода и теоретической структуры графена (рис. 7).

Чтобы проверить достоверность величины , представленной авторами на фото (рис. 3, а), необходимо иметь структуру атома углерода и его спектр. Визуальная структура молекулы углерода представлена на рис. 4, а спектр первого электрона атома (рис. 4, b) - в табл. 2 [1], [3].

Таблица 2. Спектр 1-го электрона атома углерода

Рис. 3. Фото графена и его компьютерная визуализация

а) фото молекулы углерода b) фото атома углерода

c) теоретическая структура атома углерода

Рис. 4. Фотографические структуры молекулы и атома углерода, и теоретическая модель атома углерода

Рис. 5. Модель атома углерода

Рис. 6. Молекула углерода .

Рис. 7. Теоретическая структура графена

Из новой теории микромира следует, что если все электроны находятся в атоме, то их энергии связи с протонами изменяются также как и энергии связи электрона атома водорода с протоном. С учётом этого, имея энергию ионизации атома водорода, можем вычислить энергию связи любого электрона любого атома, соответствующую любому энергетическому уровню , по формуле [1]

. (2)

Поскольку плоский атом углерода (рис. 5) симметричен, то энергии связи каждого из 6-ти электронов атома углерода с протонами ядер, в момент пребывания электронов на вторых энергетических уровнях, будут равны

. (3)

С учётом этого расстояния между протонами ядер (рис. 5) и электронами будут равны

(4)

Полученная информация позволяет определить размеры молекулы углерода, представленной на рис. 6. Они следуют из спектров этого химического элемента, который представлен в табл. 2.

Итак, реальное расстояние между белыми пятнами - атомами углерода равно (рис. 7), а не , как считают авторы этой фотографии. Они завысили разрешающую способность своего микроскопа в 10 раз. И, тем не менее, мы обязаны признать достижения экспериментаторов исключительно важными для науки, а экспериментальную величину , отличающуюся от теоретической - , - незначительной. Существует возможность уменьшить расхождения между теорией и экспериментом путём учёта температуры фотографируемых объектов микромира, но мы пока не знаем температуру, при которой фотографировались анализируемые нами обитатели микромира.

А теперь обратим внимание на туманные, заострённые выступы по внешнему контуру сфотографированных кластеров бензола (рис. 8, а и с). Это атомы водорода. Электронный микроскоп не видит их. На теоретической молекуле бензола (рис. 8, е) атомы водорода представлены точками и линиями, связывающими электроны атомов углерода и водорода. Явная связь между фото кластера бензола (рис. 8, а и с) и его теоретическими структурами (рис. 9 и 10) убедительно доказывает, что электроны в атомах взаимодействуют с протонами ядер линейно.

а) b)

c)

d)

е)

Рис. 8. Достижения европейских экспериментаторов в фотографировании кластеров

Сравнение теоретической модели кластера бензола (рис. 10) с его фотографиями (рис. 8, а и с) даёт основания для поздравления европейских экспериментаторов, точно отразивших визуализацию (рис. 8, b и с) своих фотографий. Конечно, они не владеют ещё новой теорией микромира, поэтому атомы углерода и водорода представили в виде шариков, связанных друг с другом линейными связями. Жаль, конечно, что исследователи не привели информацию о разрешающей способности их электронного микроскопа. Покажем сейчас, как новая теория микромира расшифровывает содержание информации на этих фотографиях и определяет разрешающую способность электронного микроскопа, с помощью которого они были получены. Для этого представим теоретическую модель, сфотографированной молекулы бензола c размерами, которые рассчитываются элементарно, при известной длине атома водорода (рис. 8, е). На рис. 8, d - размеры элементов структуры, сфотографированного кластера бензола, следующие из размеров молекулы бензола (рис. 8, е и 9). Это и есть показатели разрешающей способности микроскопа.

Рис. 9. Структура молекулы бензола [5]

Рис. 10. Теоретическая структура кластера бензола

Заявления производителей электронных микроскопов о том, что их микроскопы позволяют фотографировать отдельные атомы пока преждевременны. Тем не менее, их достижения внушительны, но малопродуктивны без новой теории микромира, которая «видит» обитателей микромира с разрешающей способностью на 6….7 порядков глубже достижений экспериментаторов и значительно облегчает интерпретацию информации, получаемой с помощью электронного микроскопа.

Литература

разрешающий способность электронный микроскоп

1. Канарёв Ф.М. Начала физхимии микромира». Монография. 15-е издание. Том. 1. http://www.micro-world.su/index.php/2010-12-22-11-45-21/139--i.

2. Интернет. Учёные, впервые запечатлевшие анатомию молекул и кластеров. http://www.membrana.ru/particle/14065. http://www.glubinnaya.info/modules.php?name=News&file=article&sid=994.

3. Канарёв Ф.М. Физхимия микромира. Учебник. http://www.micro-world.su/index.php/2012-03-08-17-51-29/566-2012-03-09-07-11-46.

4. Канарёв Ф.М. 2000 ответов на вопросы о микромире. Учебное пособие. http://www.micro-world.su/index.php/2012-03-08-17-51-29/571-2000-----.

5. Мыльников В.В. Визуализация атомов, ионов, молекул и кластеров. http://www.micro-world.su/index.php/2010-12-22-11-46-00/584-2012-04-03-13-51-47.

Размещено на Allbest.ru