Из истории химии:как химики научились видеть атомы?
Наверное очень трудно представить, насколько мал атом. Ведь один атом настолько мал по сравнению с яблоком, наколько яблоко мало по сравнению с Землей. И всё же, вы вероятно будете удивлены, если я скажу что химики могут видеть атомы. Но как?
Идея о существовании атомов напрямую тянется из Древней Греции - в то время философ Демокрит заявил, что вся материя на нашей Земле сделана из мельчайших неделимых частиц, которые он назвал атомами. А философ Платон предположил, что разность субстанций это различные по форме атомы подобные пирамидам или кубам.
Однако сегодня из уроков начальной школы мы знаем, что атом - это невидимая для глаз наименьшая частица химического элемента способная к самостоятельному существованию и обладающая его свойствами.
Первое свидетельство о существовании атомов появилось приблизительно в начале 1800-х годов, когда британский химик Джон Дальтон обнаружил что все вещества содержат только целые числа атомов. Дальтон вопреки всему предположил, что не может быть половины или полтора атома, а только целый атом. Именно поэтому формула воды сегодня имеет вид H2O, а не H√3.17O. И если подумать, то и в самом деле сейчас наверно очень трудно представить современную химию без проницательности Дальтона.
Но в его дни такое предположение было недоказуемым. Ведь тогда химики не могли видеть атомы, поэтому многие воспринимали их как отрицательные числа или идеальные газы, которые не существуют в реальности и нужны только при расчётах. Но раз Дальтон утверждал что атомы действительно существуют, то почему же тогда никто не поискал их под микроскопом?
Это конечно очень хороший вопрос, но здесь как всегда не обошлось без трудностей. Дело в том, что рассмотреть исследуемый обьект под микроскопом можно лишь в том случае если длина световой волны в нём будет не больше того на что мы смотрим. А длина видимого света к несчастью в тысячи раз больше самого атома. Поэтому химики в то время всячески отрицали существование атомов, и длилось это до тех пор пока не были открыты лучи с длиной волны покороче.
Случилось это в 1890-х годах, когда немецким учёным Вильгельмом Рентгеном были открыты рентгеновские лучи. Изучая световые лучи ему удалось обнаружить, что фотографии сделанные при помощи помощи открытых им лучей позволяют видеть обьекты насквозь. В какой-то момент Рентген возможно подумал что сошёл с ума, и его вполне можно понять. Но сегодня, мы всё знаем об этих лучах из наших походов к стоматологам и врачам.
Но химики нашли рентгеновским лучам несколько иное применение. Вместо того что просматривать обьекты насквозь, они решили использовать эти лучи для "бомбардировки" кристаллов - ведь те по сути должны были представлять из себя плотную структуру со слоями из атомов. В ходе экспериментов рентгеновские лучи направлялись на атомы кристалла, а те в свою очередь отражались обратно либо проходили дальше к атомам второго или третьего слоя - чем то напоминает игру в пинг понг. Далее отражённые лучи поступали на экран детектора, а учёные основываясь на полученном рисунке обрабатывали всё в обратном направлении и строили трёхмерное изображение атомов в кристалле.
Таким образом дифракция рентгеновских лучей, которую иногда называют рентгеновской кристаллографией позволила химикам взглянуть на структуру атомов, и совершить одно из величайших открытий в истории науки - открытию структуры ДНК. А последующее использование сканирующего туннельного микроскопа привело к тому, что химики наконец увидели сами атомы. И они не совершенно не были похожи на пирамиды или кубы, а представляли из себя сферы различных размеров.
Однако более детально показать сами атомы удалось лишь египетско-американсокму химику Ахмеду Зевейлу, который в 1989 году изобрёл инструмент позволяющий наблюдать за ними в движении. Ему удалось изобрести лазерные импульсы для фотосьёмки со скоростью в несколько фемтосекунд (несколько квадриллионов в секунду). В ходе исследований пока лазер Зевейла летал словно стробоскоп, камера делала фотографии, а затем полученные снимки просматривались в замедленном темпе.
За свои достижения в области химии Зевейл получил Нобелевскую премию в 1999 году, а область его исследований получила название - фемтохимия. С тех пор фемтохимия обеспечила понимание всего - от истощения озонового слоя до работы сетчатки глаза. Таким образом оказывается, что древние греки ошибочно придумали причудливые формы атомов, но учёным потребовалось более 2.000 лет, прежде чем увидеть их собственными глазами и изучить их поведение.