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

Всім людям, а тим більше школярам, ​​добре знайомі картинки на кшталт тієї, що наведена вище. Однак чи побачимо ми щось подібне, якщо будемо дивитися на молекулу чи атом навіть через найкрутіший оптичний мікроскоп? Ми знаємо, що є такі оптичні прилади як мікроскопи. Ці пристрої дозволяють розглянути дуже малі об'єкти. У них можна розглянути клітини живих організмів і навіть їхню внутрішню структуру, а також багато іншого з того, що не видно звичайним оком. Але чи можна зробити крок далі, і побачити молекули з яких складаються клітини? Строго кажучи, у всіх мікроскопів є певна межа, до якої вони можуть збільшувати картинку, або іншими словами, наскільки маленький об'єкт у них можна розглянути. І відразу чесно зізнаємося, що не існує такого оптичного мікроскопа, який можна було б розглянути об'єкт такий самий маленький як одна молекула чи атом. Цьому перешкоджають деякі фундаментальні закони оптики. Однак припустимо все ж таки, що нам вдалося добути мікроскоп з таким розкішним дозволом, що він готовий був би нам показати такий самий маленький об'єкт як одна молекула або атом. І ось ми навели цей мікроскоп на один єдиний атом чи молекулу, що ми побачимо? Відповідь дуже проста: фактично нічого. Справа в тому, що світло складається з фотонів. І щоб побачити якийсь об'єкт у мікроскоп або навіть просто оком, і щоб розглянути його структуру, нам необхідно щоб багато фотонів відбивались одночасно від різних частин даного об'єкта і вдосталь потрапляли після цього в окуляр оптичного приладу або до нас в око. Звичайно можлива ситуація, що об'єкт сам світиться тобто. випромінює фотони. Сенс залишається тим самим, багато фотонів від різних частин об'єкта має одночасно потрапляти до оптичного приладу. Але молекули чи атоми взаємодіють із фотонами по-іншому. Вони не відбивають їх. Молекули та атоми вміють лише поглинати чи випускати фотони. А найчастіше фотони взагалі пролітають повз молекули і атоми не взаємодіючи. Одночасно атом або молекула випромінює зазвичай лише один фотон, який після цього летить у непередбачуваному напрямку. До того ж, щоб молекула або атом випромінювала фотон, потрібно щоб вона (або він) спочатку поглинули інший фотон. Таким чином, наш експеримент зі спостереження молекули в мікроскоп виглядав би так: ми висвітлюємо світлом атом або молекулу, але більшість фотонів пролітає повз досліджуваний атом або молекулу. Потім у певний момент, один із фотонів все ж таки поглинається, а через деякий час атом або молекула випромінюють у непередбачуваному напрямку аналогічний фотон (часто до речі, він летить у той же бік, звідки прилетів раніше поглинений фотон). Отже, цей єдиний фотон, випромінюваний молекулою чи атомом, навряд зможемо відрізнити від тієї підсвічування, якої світимо на досліджуваний об'єкт, тобто. мільярдів інших таких фотонів, що летять поруч. А якщо молекулу не підсвічувати, то випромінюваного нею фотона доведеться чекати дуже довго. Але навіть якщо ми й зможемо відокремити фотон, що вилетів з молекули, від фотонів підсвічування, то найкраще, чого ми можемо очікувати від молекули або атома, на які дивимося в оптичний мікроскоп, так це те, що в деякий непередбачуваний момент, вона (або він) все ж таки випромінює 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 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 протягом миттю, що вислизає, що виникають в непередбачувані моменти. Ці спалахи при цьому ніяк не візуально відображатимуть структуру молекули або атома (хоча їх спектр і міститиме деяку інформацію про неї), і ми так і не побачимо картинки подібної до того, що наведена вище. Взагалі кажучи, картинка вище це лише погана візуалізація внутрішньої структури атома, що була досліджена за допомогою інших методів, але аж ніяк не за допомогою оптичного мікроскопа.