كيف تبدو الجزيئات تحت المجهر. الذرات والجزيئات

يتكون جزيء الماء H2O من ذرة أكسجين مرتبطة تساهميًا بذرتين من الهيدروجين.

في جزيء الماء ، الشخصية الرئيسية هي ذرة الأكسجين.

نظرًا لأن ذرات الهيدروجين تتنافر بشكل ملحوظ ، فإن الزاوية بين الروابط الكيميائية (الخطوط التي تربط نوى الذرات) الهيدروجين - الأكسجين ليست مستقيمة (90 درجة) ، ولكن أكثر قليلاً - 104.5 درجة.

الروابط الكيميائية في جزيء الماء قطبية ، لأن الأكسجين يسحب الإلكترونات سالبة الشحنة إلى نفسه ، والهيدروجين - إلكترونات موجبة الشحنة. نتيجة لذلك ، تتراكم شحنة سالبة زائدة بالقرب من ذرة الأكسجين ، وشحنة موجبة لذرات الهيدروجين.

لذلك ، فإن جزيء الماء بأكمله هو ثنائي القطب ، أي جزيء له قطبين متقابلين. يحدد التركيب ثنائي القطب لجزيء الماء إلى حد كبير خصائصه غير العادية.

جزيء الماء هو مادة مغناطيسية.

إذا قمنا بتوصيل بؤري الشحنات الموجبة والسالبة بخطوط مستقيمة ، نحصل على شكل هندسي ثلاثي الأبعاد - رباعي السطوح. هذا هو هيكل جزيء الماء نفسه.

عندما تتغير حالة جزيء الماء ، يتغير طول الجوانب والزاوية بينهما في رباعي الوجوه.

على سبيل المثال ، إذا كان جزيء الماء في حالة بخار ، فإن الزاوية المكونة من جانبه هي 104 درجة 27 ". في حالة الماء ، تكون الزاوية 105 درجة 03". وفي حالة الجليد ، تكون الزاوية 109.5 درجة.

هندسة وحجم جزيء الماء لدول مختلفة
أ - للحالة البخارية
ب - لأدنى مستوى اهتزازي
ج - لمستوى قريب من تكوين بلورة جليدية ، عندما تتوافق هندسة جزيء الماء مع هندسة مثلثين مصريين بنسبة عرض إلى ارتفاع 3: 4: 5
د - لحالة الجليد.

إذا قسمنا هذه الزوايا إلى نصفين ، نحصل على الزوايا:
104 درجة 27 ": 2 = 52 درجة 13" ،
105 درجة 03 ": 2 = 52 درجة 31" ،
106 ° 16 ": 2 = 53 ° 08" ،
109.5 درجة: 2 = 54 درجة 32 بوصة.

وهذا يعني أنه من بين الأنماط الهندسية لجزيء الماء والجليد ، يوجد المثلث المصري الشهير ، والذي يعتمد على النسبة الذهبية - أطوال الأضلاع هي 3: 4: 5 بزاوية 53 درجة 08 ".

يكتسب جزيء الماء بنية النسبة الذهبية في الطريق عندما يتحول الماء إلى جليد ، والعكس صحيح عندما يذوب الجليد. من الواضح أن الماء الذائب يتم تقييمه لهذه الحالة ، عندما يكون لبنيته في الهيكل نسب المقطع الذهبي.

يتضح الآن أن المثلث المصري الشهير بنسبة عرض إلى ارتفاع 3: 4: 5 "مأخوذ" من إحدى حالات جزيء الماء. يتكون نفس الشكل الهندسي لجزيء الماء من مثلثين مصريين بزاوية قائمة مع ساق مشتركة تساوي 3.

جزيء الماء ، على أساس النسبة الذهبية ، هو مظهر مادي للطبيعة الإلهية ، التي تشارك في خلق الحياة. هذا هو السبب في أن الطبيعة الأرضية تحتوي على الانسجام المتأصل في الكون بأسره.

ولذلك فقد أله المصريون القدماء الأرقام 3 و 4 و 5 ، واعتبر المثلث نفسه مقدسًا وحاول وضع خصائصه وتناغمه في أي هيكل ومنازل وأهرامات وحتى في تعليم الحقول. بالمناسبة ، تم بناء الأكواخ الأوكرانية أيضًا باستخدام النسبة الذهبية.

في الفضاء ، يحتل جزيء الماء حجمًا معينًا ، ويتم تغطيته بقشرة إلكترونية على شكل حجاب. إذا تخيلنا شكل نموذج افتراضي لجزيء في مستوٍ ما ، فإنه يبدو مثل أجنحة الفراشة ، مثل كروموسوم على شكل X ، حيث يتم تسجيل برنامج حياة كائن حي. وهذه حقيقة تدل على أن الماء نفسه عنصر لا غنى عنه لجميع الكائنات الحية.

إذا تخيلنا شكل نموذج افتراضي لجزيء الماء من حيث الحجم ، فإنه ينقل شكل الهرم الثلاثي ، الذي له 4 وجوه ، ولكل وجه 3 حواف. في الهندسة ، يسمى الهرم الثلاثي رباعي السطوح. هذا الهيكل هو سمة من سمات البلورات.

وهكذا ، يشكل جزيء الماء بنية زاوية قوية ، يحتفظ بها حتى عندما يكون في حالة بخار ، وعلى وشك التحول إلى جليد ، وعندما يتحول إلى جليد.

إذا كان "الهيكل العظمي" لجزيء الماء مستقرًا جدًا ، فإن طاقته "الهرم" - رباعي الوجوه ، تظل أيضًا ثابتة.

يتم تفسير هذه الخصائص الهيكلية لجزيء الماء في ظل ظروف مختلفة من خلال الروابط القوية بين ذرتين من الهيدروجين وذرة أكسجين واحدة. هذه الرابطة أقوى بحوالي 25 مرة من الرابطة بين جزيئات الماء المجاورة. لذلك ، من الأسهل فصل جزيء ماء عن آخر ، على سبيل المثال ، عند تسخينه ، من تدمير جزيء الماء نفسه.

نظرًا للتوجه والحث وتفاعلات التشتت (قوى فان دير فال) والروابط الهيدروجينية بين ذرات الهيدروجين والأكسجين للجزيئات المجاورة ، يمكن لجزيئات الماء أن تتشكل كشركاء عشوائيين ، أي عدم وجود بنية منظمة ، ومجموعات - ترتبط بهيكل معين.

وفقًا للبيانات الإحصائية ، هناك شركاء عشوائيون في المياه العادية - 60٪ (مياه مدمرة) وعناقيد - 40٪ (مياه مهيكلة).

نتيجة للدراسات التي أجراها العالم الروسي S.V. Zenin ، تم اكتشاف تجمعات مائية مستقرة وطويلة العمر.

وجد زينين أن جزيئات الماء تشكل في البداية ثنائي الوجوه. تتحد أربعة أضلاع ثنائية الوجوه معًا لتشكل العنصر الهيكلي الرئيسي للماء - مجموعة من 57 جزيء ماء.

في الكتلة ، يكون للثنا عشر وجهًا مشتركًا ، وتشكل مراكزها رباعي السطوح منتظم. إنه مركب ضخم من جزيئات الماء ، بما في ذلك السداسيات ، والتي لها أقطاب موجبة وسالبة.

تسمح جسور الهيدروجين لجزيئات الماء بالتجمع بعدة طرق. نتيجة لهذا ، هناك مجموعة لا حصر لها من العناقيد في الماء.

يمكن أن تتفاعل المجموعات مع بعضها البعض بسبب الروابط الهيدروجينية الحرة ، مما يؤدي إلى ظهور هياكل من الدرجة الثانية في شكل سداسي السطوح. وهي تتكون من 912 جزيء ماء ، وهي عمليا غير قادرة على التفاعل. عمر مثل هذا الهيكل طويل جدا.

هذا الهيكل ، على غرار بلورة جليدية صغيرة حادة من 6 وجوه معينية ، S.V. أطلق عليه Zenin "العنصر الهيكلي الرئيسي للماء". وقد أكدت العديد من التجارب أن هناك عددًا لا يحصى من هذه البلورات في الماء.

بالكاد تتفاعل بلورات الجليد هذه مع بعضها البعض ، وبالتالي فهي لا تشكل هياكل مستقرة أكثر تعقيدًا وتنزلق بسهولة مع حوافها بالنسبة لبعضها البعض ، مما يخلق سيولة. بهذا المعنى ، يشبه الماء محلولًا فائق البرودة لا يمكن أن يتبلور بأي شكل من الأشكال.

عروض أخرى في الفيزياء الجزيئية

"طاقة ربط النواة" - طاقة الربط القصوى (8.6 MeV / nucleon) تمتلكها عناصر ذات أعداد كتلتها من 50 إلى 60. - عيب في الكتلة. تسعى قوات كولوم إلى تمزيق اللب. طاقة الارتباط للنيوكليونات على السطح أقل من طاقة النوكليونات داخل النواة. Uchim.net. طاقة ربط النوى الذرية. طاقة رابطة محددة. معادلة أينشتاين بين الكتلة والطاقة:

"هيكل النواة الذرية" - عداد جيجر غرفة ويلسون. الراديوم (مشع). استخدام الاشعاع المشع. ماريا سكلودوفسكا كوري وبيير كوري. بيكريل أنطوان هنري - 1897 الاندماج النووي الحراري هو اندماج النوى الخفيفة. رقم الكتلة M - كتلة النواة ، عدد النوكليونات ، عدد النيوترونات MZ. بولونيوم. تفاعل نووي متسلسل.

"تطبيق التأثير الكهروضوئي" - المؤسسة التعليمية الحكومية ، وهي منظمة غير حكومية ، صالة احترافية رقم 15. تاريخ اكتشاف وبحث التأثير الكهروضوئي. أنجزه: مدرس الفيزياء فارلاموفا مارينا فيكتوروفنا. معادلة أينشتاين للتأثير الكهروضوئي أ. أينشتاين. مراقبة تأثير الصورة. ستوليتوف أ. يتناسب تيار التشبع مع شدة حادث الإشعاع على الكاثود.

"تركيب نواة الذرة" - أ .10-12. التحول الإشعاعي للنواة الذرية. وبالتالي ، يتكون الإشعاع من تدفقات من الجسيمات الموجبة ، السلبية والمحايدة. 13 - 15. 1896 اكتشف هنري بيكريل (فرنسي) ظاهرة النشاط الإشعاعي. هل تدل على - ، لديها كتلة؟ 1 صباحا وشحنة مساوية لشحنة الإلكترون. 5. الذرة محايدة لأن شحنة النواة تساوي الشحنة الكلية للإلكترونات.

"تكوين النواة الذرية" - العدد الكتلي. القوى النووية هي قوى الجذب التي تربط البروتونات والنيوترونات في النواة. القوى النووية. منظر عام لتدوين النواة. عدد تهمة. رقم الشحنة يساوي شحنة النواة ، معبرًا عنه في الشحنات الكهربائية الأولية. رقم الشحنة يساوي العدد الترتيبي للعنصر الكيميائي. مرات عديدة أكثر من قوات كولوم.

"تخليق البلازما" - فترة البناء 8-10 سنوات. شكرا للانتباه. البناء والبنية التحتية لـ ITER. إنشاء توكاماك. معلمات تصميم ITER. إنشاء ITER (ITER). 5. التكلفة التقريبية 5 مليارات يورو. الأسلحة النووية الحرارية. مساهمة روسيا في مفاعل ITER. 2. ميزة الطاقة النووية الحرارية. متطلبات الطاقة.

حتى الآن ، لا يمكن للعلماء إلا افتراض وجود الهياكل الجزيئية. اليوم ، باستخدام مجهر القوة الذرية ، يمكن رؤية الروابط الذرية الفردية (كل بضع عشرات من المليون من المليمتر) التي تربط الجزيء (26 ذرة كربون و 14 ذرة هيدروجين) بوضوح تام.

في البداية ، أراد الفريق العمل مع الهياكل المصنوعة من الجرافين ، وهي مادة أحادية الطبقة يتم فيها ترتيب ذرات الكربون في شكل سداسي. لتشكيل قرص العسل من الكربون ، يتم إعادة ترتيب الذرات من سلسلة خطية إلى أشكال سداسية ؛ يمكن أن ينتج هذا التفاعل عدة جزيئات مختلفة.

أراد فيليكس فيشر ، الكيميائي في جامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، وزملاؤه تصور الجزيئات للتأكد من أنها فعلت ذلك بشكل صحيح.

جزيء على شكل حلقة يحتوي على الكربون معروض قبل وبعد إعادة التنظيم مع منتجي التفاعل الأكثر شيوعًا عند درجات حرارة أعلى من 90 درجة مئوية. الحجم: 3 أنجستروم ، أو من ثلاثة إلى عشرة أجزاء من المليار من المتر.

لتوثيق وصفة الجرافين ، احتاج فيشر إلى جهاز تصوير قوي ، وتحول إلى مجهر القوة الذرية الذي يمتلكه مايكل كرومي من مختبر جامعة كاليفورنيا.

يستخدم مجهر القوة الذرية غير المتلامسة (NC-AFM) مستشعرًا رقيقًا وحساسًا للغاية لاستشعار القوة الكهربائية الناتجة عن الجزيئات. يتحرك الطرف بالقرب من سطح الجزيء ، ينحرف بفعل الشحنات المختلفة ، مما يخلق صورة لكيفية تحرك الذرات.

الرأس أحادي الذرة لمجهر القوة الذرية غير المتصل "يسبر" السطح بإبرة حادة. تتحرك الإبرة على طول سطح الجسم الذي تم فحصه بنفس الطريقة التي تمر بها إبرة الفونوغراف على طول أخاديد اللوحة. بالإضافة إلى الذرات ، من الممكن "سبر" الروابط الذرية

لذلك لم يتمكن الفريق فقط من تصور ذرات الكربون ، ولكن أيضًا الروابط بينها التي تم إنشاؤها بواسطة الإلكترونات المشتركة. وضعوا هياكل على شكل حلقة من الكربون على صفيحة فضية وقاموا بتسخينها لإعادة تنظيم الجزيء. تحتوي نواتج التفاعل المبردة على ثلاثة منتجات غير متوقعة ويتوقع العلماء جزيء واحد فقط.

ذرة الهيدروجين تلتقط سحب الإلكترون. وعلى الرغم من أن الفيزيائيين المعاصرين بمساعدة المسرعات يمكنهم حتى تحديد شكل البروتون ، فإن ذرة الهيدروجين ، على ما يبدو ، ستبقى أصغر جسم ، ومن المنطقي أن نطلق على صورتها صورة. يقدم "Lenta.ru" لمحة عامة عن الأساليب الحديثة لتصوير العالم المجهري.

بالمعنى الدقيق للكلمة ، يكاد التصوير العادي يختفي هذه الأيام. الصور التي نسميها عادة بالصور ويمكن أن نجدها ، على سبيل المثال ، في أي تقرير مصور لـ "Lenta.ru" ، في الواقع ، هي نماذج حاسوبية. تحدد مصفوفة حساسة للضوء في جهاز خاص (تقليديًا لا تزال تسمى "الكاميرا") التوزيع المكاني لشدة الضوء في عدة نطاقات طيفية مختلفة ، وتخزن إلكترونيات التحكم هذه البيانات في شكل رقمي ، ثم دائرة إلكترونية أخرى تعتمد على تعطي هذه البيانات أمرًا للترانزستورات في شاشة العرض البلورية السائلة ... الأفلام والورق والحلول الخاصة لمعالجتها - كل هذا أصبح غريبًا. وإذا تذكرنا المعنى الحرفي للكلمة ، فإن التصوير الفوتوغرافي هو "الرسم الضوئي". فماذا نقول عما نجح العلماء ليصورذرة ، هذا ممكن فقط مع قدر معقول من الاصطلاح.

تم التقاط أكثر من نصف الصور الفلكية منذ فترة طويلة بواسطة تلسكوبات الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية. لا يتم تشعيع المجاهر الإلكترونية بالضوء ، ولكن بشعاع من الإلكترونات ، وتقوم مجاهر القوة الذرية بمسح تجويف العينة بإبرة. هناك مجاهر الأشعة السينية وآلات التصوير بالرنين المغناطيسي. كل هذه الأجهزة تعطينا صورًا دقيقة لأشياء مختلفة ، وعلى الرغم من حقيقة أنه لا داعي للحديث عن "الرسم بالضوء" هنا ، بالطبع ، ما زلنا نجرؤ على تسمية مثل هذه الصور بالصور.

ستبقى تجارب الفيزيائيين لتحديد شكل البروتون أو توزيع الكواركات داخل الجسيمات وراء الكواليس. ستقتصر قصتنا على مقياس الذرات.

البصريات لا تتقدم في العمر

كما اتضح في النصف الثاني من القرن العشرين ، لا يزال يتعين تطوير الكثير من المجاهر الضوئية. كانت اللحظة الحاسمة في البحوث البيولوجية والطبية هي ظهور الأصباغ الفلورية وطرق التوسيم الانتقائي لبعض المواد. لم يكن مجرد طلاء جديد ، لقد كان ثورة حقيقية.

خلافًا للاعتقاد الشائع ، فإن التألق ليس توهجًا في الظلام على الإطلاق (يسمى هذا الأخير اللمعان). هذه هي ظاهرة امتصاص كمية من طاقة معينة (مثل الضوء الأزرق) ، متبوعًا بانبعاث كمات أخرى ذات طاقة أقل ، وبالتالي ، ضوء مختلف (عندما يتم امتصاص اللون الأزرق ، ستنبعث منها خضراء). إذا وضعت مرشحًا يسمح فقط للكميات المنبعثة من الصبغة بالمرور وحجب الضوء الذي يسبب التألق ، يمكنك رؤية خلفية داكنة مع بقع مضيئة من الأصباغ ، والأصباغ ، بدورها ، يمكن أن تلون العينة للغاية بشكل انتقائي.

على سبيل المثال ، يمكنك طلاء الهيكل الخلوي لخلية عصبية باللون الأحمر ، وتمييز نقاط الاشتباك العصبي باللون الأخضر ، والنواة باللون الأزرق. يمكنك عمل ملصق الفلورسنت ، والذي سيسمح لك باكتشاف مستقبلات البروتين على الغشاء أو الجزيئات التي تصنعها الخلية في ظل ظروف معينة. أحدث التلوين المناعي ثورة في العلوم البيولوجية. وعندما تعلم المهندسون الوراثيون صنع حيوانات معدلة وراثيًا ببروتينات الفلورسنت ، شهدت هذه الطريقة ولادة جديدة: على سبيل المثال ، أصبحت الفئران ذات الخلايا العصبية الملونة بألوان مختلفة حقيقة واقعة.

بالإضافة إلى ذلك ، ابتكر المهندسون (وعملوا في الممارسة العملية) طريقة لما يسمى بالفحص المجهري متحد البؤر. يكمن جوهرها في حقيقة أن المجهر يركز على طبقة رقيقة جدًا ، وأن الحجاب الحاجز الخاص يقطع الإضاءة الناتجة عن الأشياء خارج هذه الطبقة. يمكن لمثل هذا المجهر مسح عينة بالتسلسل من أعلى إلى أسفل والحصول على مجموعة من الصور ، والتي تعد أساسًا جاهزًا لنموذج ثلاثي الأبعاد.

أدى استخدام الليزر وأنظمة التحكم في الحزمة الضوئية المتطورة إلى حل مشكلة نضوب الصبغة وتجفيف العينات البيولوجية الدقيقة تحت الضوء الساطع: يقوم شعاع الليزر بمسح العينة فقط عندما يكون ذلك ضروريًا للتصوير. ولكي لا تضيع الوقت والجهد في فحص عينة كبيرة من خلال عدسة ذات مجال رؤية ضيق ، اقترح المهندسون نظام مسح آلي: يمكنك وضع كوب بعينة على مرحلة المجهر الحديث ، و سيطلق الجهاز بشكل مستقل بانوراما واسعة النطاق للعينة بأكملها. في الوقت نفسه ، في الأماكن الصحيحة ، سيركز ، ثم يقوم بلصق العديد من الإطارات معًا.

يمكن لبعض المجاهر أن تناسب الفئران الحية أو الفئران أو على الأقل اللافقاريات الصغيرة. يعطي البعض الآخر زيادة طفيفة ، ولكن يتم دمجها مع جهاز الأشعة السينية. يتم تثبيت العديد منها على طاولات خاصة بكتلة عدة أطنان للتخلص من التداخل الناتج عن الاهتزازات ، في الداخل مع مناخ محلي يتم التحكم فيه بعناية. تتجاوز تكلفة هذه الأنظمة تكلفة المجاهر الإلكترونية الأخرى ، وقد أصبحت مسابقات أجمل إطار تقليدًا منذ فترة طويلة. بالإضافة إلى ذلك ، يستمر تحسين البصريات: بدءًا من البحث عن أفضل أنواع الزجاج واختيار التوليفات المثلى للعدسات ، انتقل المهندسون إلى طرق تركيز الضوء.

لقد أدرجنا على وجه التحديد عددًا من التفاصيل الفنية لإظهار أن التقدم في البحث البيولوجي ارتبط منذ فترة طويلة بالتقدم في مجالات أخرى. إذا لم تكن هناك أجهزة كمبيوتر قادرة على حساب عدد الخلايا الملطخة تلقائيًا في عدة مئات من الصور ، فلن يكون هناك فائدة تذكر للميكروسكوبات الفائقة. وبدون الأصباغ الفلورية ، لن يمكن تمييز الملايين من الخلايا عن بعضها البعض ، لذلك سيكون من المستحيل تقريبًا تتبع تكوين أصباغ جديدة أو موت الخلايا القديمة.

في الواقع ، كان المجهر الأول عبارة عن مشبك به عدسة كروية ملحقة به. يمكن أن يكون التناظرية لمثل هذا المجهر عبارة عن ورقة لعب بسيطة بها ثقب مصنوع فيه وقطرة ماء. وفقًا لبعض التقارير ، تم استخدام هذه الأجهزة من قبل عمال مناجم الذهب في كوليما بالفعل في القرن الماضي.

بعد حد الانعراج

المجاهر الضوئية لها عيب أساسي. الحقيقة هي أنه من المستحيل استعادة شكل تلك الأشياء التي تبين أنها أصغر بكثير من الطول الموجي من شكل موجات الضوء: يمكنك أيضًا محاولة فحص النسيج الناعم للمادة بيدك قفاز سميك للحام.

تم التغلب جزئيًا على القيود التي أحدثها الانعراج ، ودون انتهاك قوانين الفيزياء. هناك حالتان تساعدان المجاهر الضوئية على الغوص تحت حاجز الانعراج: حقيقة أنه ، أثناء التألق ، تنبعث الكميات من جزيئات الصبغة الفردية (والتي يمكن أن تكون بعيدة تمامًا عن بعضها البعض) ، وحقيقة أنه بسبب تراكب موجات الضوء ، من الممكن الحصول على بقعة مضيئة بقطر أصغر من الطول الموجي.

عندما يتم تركيبها على بعضها البعض ، تكون موجات الضوء قادرة على إطفاء بعضها البعض بشكل متبادل ، وبالتالي ، فإن معلمات الإضاءة للعينة بحيث تقع أصغر منطقة ممكنة في المنطقة المضيئة. بالاقتران مع الخوارزميات الرياضية التي تسمح ، على سبيل المثال ، بإزالة الظلال في الصورة ، تعطي الإضاءة الاتجاهية زيادة حادة في جودة التصوير. يصبح من الممكن ، على سبيل المثال ، فحص الهياكل داخل الخلايا باستخدام مجهر ضوئي وحتى (من خلال الجمع بين الطريقة الموصوفة مع الفحص المجهري متحد البؤر) للحصول على صورهم ثلاثية الأبعاد.

مجهر الكتروني للأجهزة الإلكترونية

من أجل اكتشاف الذرات والجزيئات ، لم يكن على العلماء النظر إليها - لم تكن النظرية الجزيئية بحاجة إلى رؤية أي شيء. لكن علم الأحياء الدقيقة أصبح ممكنا فقط بعد اختراع المجهر. لذلك ، في البداية ، ارتبطت المجاهر على وجه التحديد بالطب والبيولوجيا: الفيزيائيون والكيميائيون ، الذين درسوا أشياء أصغر بكثير ، تداروا بوسائل أخرى. عندما أرادوا أيضًا إلقاء نظرة على العالم المصغر ، أصبحت قيود الانعراج مشكلة خطيرة ، خاصة وأن طرق الفحص المجهري الفلوري الموصوفة أعلاه لا تزال غير معروفة. ولا معنى لرفع الدقة من 500 إلى 100 نانومتر ، إذا كان الجسم الذي سيتم فحصه أصغر!

مع العلم أن الإلكترونات يمكن أن تتصرف كموجة وكجسيم ، ابتكر الفيزيائيون الألمان في عام 1926 عدسة إلكترونية. كانت الفكرة الكامنة وراءها بسيطة للغاية ومفهومة لأي تلميذ: نظرًا لأن المجال الكهرومغناطيسي ينحرف الإلكترونات ، فيمكن استخدامه لتغيير شكل حزمة هذه الجسيمات عن طريق فصلها عن بعضها ، أو على العكس من ذلك ، لتقليل قطر الحزمة . بعد خمس سنوات ، في عام 1931 ، بنى إرنست روسكا وماكس نول أول مجهر إلكتروني في العالم. في الجهاز ، أُضيئت العينة أولاً بشعاع من الإلكترونات ، ثم وسعت عدسة إلكترونية الحزمة المرسلة قبل أن تسقط على شاشة إنارة خاصة. أعطى المجهر الأول تكبيرًا 400 مرة فقط ، لكن استبدال الضوء بالإلكترونات فتح الطريق للتصوير بتكبير مئات الآلاف من المرات: كان على المصممين فقط التغلب على العديد من العقبات التقنية.

مكّن المجهر الإلكتروني من فحص بنية الخلايا بجودة لم يكن من الممكن تحقيقها من قبل. لكن من هذه الصورة يستحيل فهم عمر الخلايا ووجود بروتينات معينة فيها ، وهذه المعلومات ضرورية جدًا للعلماء.

تسمح المجاهر الإلكترونية الآن بالتصوير عن قرب للفيروسات. هناك العديد من التعديلات على الأجهزة التي لا تسمح فقط برؤية المقاطع الرقيقة ، ولكن أيضًا لعرضها في "الضوء المنعكس" (في الإلكترونات المنعكسة بالطبع). لن نتحدث بالتفصيل عن جميع إصدارات المجاهر ، لكن لاحظ أن الباحثين مؤخرًا تعلموا كيفية إعادة بناء صورة من نمط الانعراج.

اللمس ، وليس النظر

لقد جاءت ثورة أخرى من خروج آخر عن مبدأ "النور والنظر". لم يعد مجهر القوة الذرية ، وكذلك مجهر المسح النفقي ، يضيء على سطح العينات. بدلاً من ذلك ، تتحرك إبرة رفيعة بشكل خاص عبر السطح ، والتي ترتد حرفيًا حتى في حالة عدم انتظام حجم ذرة مفردة.

دون الخوض في تفاصيل كل هذه الأساليب ، نلاحظ الشيء الرئيسي: لا يمكن تحريك طرف المجهر النفقي على طول السطح فحسب ، بل يمكن استخدامه أيضًا لإعادة ترتيب الذرات من مكان إلى آخر. هذه هي الطريقة التي يصمم بها العلماء نقوشًا ورسومات وحتى رسومًا كرتونية يلعب فيها صبي مرسوم بذرة. ذرة زينون حقيقية ، مسحوبة بطرف مجهر مسح نفقي.

يُطلق على المجهر النفقي لأنه يستخدم تأثير تيار النفق المتدفق عبر الطرف: تمر الإلكترونات عبر الفجوة بين الطرف والسطح بسبب تأثير النفق الذي تنبأت به ميكانيكا الكم. يتطلب مثل هذا الجهاز فراغًا للعمل.

إن مجهر القوة الذرية (AFM) أقل تطلبًا في الظروف المحيطة - يمكنه (مع عدد من القيود) العمل دون تفريغ الهواء. بمعنى ما ، فإن AFM هو الخلف التكنولوجي للغراموفون. إبرة مثبتة على ذراع ناتئ رفيع ومرن ( ناتئوهناك "قوس") ، يتحرك على طول السطح دون تطبيق الجهد عليه ويتبع ارتياح العينة بنفس الطريقة التي تتبعها إبرة الجراموفون على طول أخاديد أسطوانة الجراموفون. إن ثني الكابولي يجبر المرآة المثبتة عليه على الانحراف ، وتحرف المرآة شعاع الليزر ، وهذا يسمح بتحديد دقيق للغاية لشكل العينة قيد الدراسة. الشيء الرئيسي هو أن يكون لديك نظام دقيق بما فيه الكفاية لتحريك الإبرة ، بالإضافة إلى إمداد الإبر التي يجب أن تكون حادة تمامًا. قد لا يتجاوز نصف قطر الانحناء عند أطراف هذه الإبر نانومتر واحد.

يسمح لك AFM برؤية الذرات والجزيئات الفردية ، ومع ذلك ، مثل المجهر النفقي ، فإنه لا يسمح لك بالنظر تحت سطح العينة. بمعنى آخر ، يتعين على العلماء الاختيار بين القدرة على رؤية الذرات والقدرة على دراسة الكائن بأكمله ككل. ومع ذلك ، حتى بالنسبة للمجاهر الضوئية ، لا يمكن الوصول دائمًا إلى الأجزاء الداخلية للعينات قيد الدراسة ، لأن المعادن أو المعادن عادةً ما تنقل الضوء بشكل سيء. بالإضافة إلى ذلك ، لا تزال هناك صعوبات في تصوير الذرات - تظهر هذه الأشياء على شكل كرات بسيطة ، وشكل السحب الإلكترونية غير مرئي في مثل هذه الصور.

إن إشعاع السنكروترون الناتج عن تباطؤ الجسيمات المشحونة التي تسرعها المسرعات يجعل من الممكن دراسة البقايا المتحجرة لحيوانات ما قبل التاريخ. من خلال تدوير عينة تحت الأشعة السينية ، يمكننا الحصول على صور مقطعية ثلاثية الأبعاد - هكذا ، على سبيل المثال ، تم العثور على الدماغ داخل جمجمة الأسماك ، والتي انقرضت قبل 300 مليون سنة. يمكن أيضًا الاستغناء عن الدوران إذا تم تسجيل الإشعاع المرسل عن طريق تثبيت الأشعة السينية المنتشرة بسبب الانعراج.

وهذه ليست كل الاحتمالات التي تفتحها الأشعة السينية. عند التعرض للإشعاع ، تتألق العديد من المواد ، وبحسب طبيعة التألق ، من الممكن تحديد التركيب الكيميائي للمادة: بهذه الطريقة يقوم العلماء بتلوين القطع الأثرية القديمة ، أو أعمال أرخميدس التي تم محوها في العصور الوسطى ، أو اللون من ريش الطيور المنقرضة منذ زمن طويل.

الذرات تتظاهر

على خلفية كل الاحتمالات التي توفرها طرق الأشعة السينية أو الفلورية الضوئية ، لا يبدو أن طريقة جديدة لتصوير الذرات الفردية تمثل طفرة كبيرة في العلم. جوهر الطريقة ، التي أتاحت الحصول على الصور المقدمة هذا الأسبوع ، هو كما يلي: يتم تجريد الإلكترونات من الذرات المتأينة وإرسالها إلى كاشف خاص. كل فعل من أفعال التأين يزيل إلكترونًا من موضع معين ويعطي نقطة واحدة في "الصورة". بعد أن جمع العلماء عدة آلاف من هذه النقاط ، شكلوا صورة توضح الأماكن الأكثر احتمالا لاكتشاف إلكترون حول نواة الذرة ، وهذا ، بالتعريف ، عبارة عن سحابة إلكترونية.

في الختام ، دعنا نقول أن القدرة على رؤية الذرات الفردية بسحبها الإلكترونية هي بالأحرى تتويج على كعكة المجهر الحديث. كان من المهم للعلماء التحقيق في بنية المواد ، ودراسة الخلايا والبلورات ، والتطور الناتج للتكنولوجيا جعل من الممكن الوصول إلى ذرة الهيدروجين. أي شيء أقل من ذلك هو بالفعل مجال اهتمام المتخصصين في فيزياء الجسيمات الأولية. ولا يزال علماء الأحياء وعلماء المواد والجيولوجيون لديهم مجال لتحسين المجاهر ، حتى مع التكبير المتواضع إلى حد ما على خلفية الذرات. على سبيل المثال ، لطالما أراد المتخصصون في علم وظائف الأعصاب امتلاك جهاز يمكنه رؤية الخلايا الفردية داخل دماغ حي ، وكان مبتكرو المركبات الجوالة يبيعون أرواحهم مقابل مجهر إلكتروني يمكن أن يصعد على متن مركبة فضائية ويمكن أن يعمل على المريخ.

ندعوك لتقييم صور المتأهلين للتصفيات النهائية المتقدمين للحصول على لقب "مصور العام" للجمعية الملكية للتصوير الفوتوغرافي. سيتم الإعلان عن الفائز في 7 أكتوبر ، وسيعقد معرض لأفضل الأعمال في الفترة من 7 أكتوبر إلى 5 يناير في متحف العلوم في لندن.

مراجعة PM

هيكل الفقاعة بواسطة كيم كوكس

تعمل فقاعات الصابون على تحسين المساحة داخلها وتقليل مساحة سطحها إلى حجم معين من الهواء. وهذا يجعلها موضوعًا مفيدًا للبحث في العديد من المجالات ، على وجه الخصوص ، في مجال علم المواد. يبدو أن جدران الفقاعات تتدفق تحت تأثير الجاذبية: فهي رقيقة في الأعلى وسميكة في الأسفل.

"التأشير على جزيئات الأكسجين" ياسمين كروفورد

الصورة جزء من أحدث مشروع كبير للمؤلف في التصوير الفوتوغرافي في جامعة فالماوث ، والذي ركز على دراسة التهاب الدماغ والنخاع العضلي. يقول كروفورد إنه يخلق صورًا تربطنا بالغموض والمجهول.