Kada su snimljene prve fotografije molekula? Atomi i molekule. "Označavanje molekula kisika" Yasmine Crawford

Pozivamo vas da ocijenite fotografije finalista koji su osvojili titulu "Fotografa godine" od strane Kraljevskog fotografskog društva. Proglašenje pobjednika bit će 7. listopada, a izložba najbolja djela održat će se od 7. listopada do 5. siječnja u Science Museumu u Londonu.

Izdanje PM

Struktura mjehurića od sapunice Kim Cox

Mjehurići od sapunice optimiziraju prostor u sebi i minimiziraju svoju površinu za određeni volumen zraka. To ih čini korisnim predmetom proučavanja u mnogim područjima, posebice u području znanosti o materijalima. Stijenke mjehurića kao da teku prema dolje pod djelovanjem gravitacije: tanke su na vrhu, a debele na dnu.

"Označavanje molekula kisika" Yasmine Crawford

Slika je dio autoričinog posljednjeg velikog projekta za magisterij iz fotografije na Sveučilištu Falmouth, gdje je fokus bio na mialgičnom encefalomijelitisu. Crawford kaže da stvara slike koje nas povezuju s dvosmislenim i nepoznatim.

"Smiraj vječnosti", autor Evgeny Samuchenko

Slika je snimljena na Himalaji na jezeru Gosaikunda na nadmorskoj visini od 4400 metara. mliječna staza je galaksija koja uključuje našu Sunčev sustav: slaba tračka svjetla na noćnom nebu.

"Zbunjena buba od brašna" Davida Spearsa

Ovaj mali štetnik napada žitarice i proizvode od brašna. Slika je snimljena skenirajućim elektronskim mikrografom i zatim obojana u Photoshopu.

Maglica Sjeverna Amerika Davea Watsona

Maglica Sjeverna Amerika NGC7000 je emisijska maglica u zviježđu Labuda. Oblik maglice podsjeća na oblik Sjeverne Amerike - čak se vidi i Meksički zaljev.

Stag Beetle Victora Sikore

Fotograf je koristio svjetlosni mikroskop s povećanjem od pet puta.

Teleskop Lovell Marge Bradshaw

“Fasciniran sam teleskopom Lovell u Jodrell Banku otkad sam ga vidio na školskom izletu,” kaže Bradshaw. Htjela je snimiti neke detaljnije fotografije kako bi vidjela njegovu odjeću.

"Mellyfish Upside Down" Mary Ann Chilton

Umjesto plivanja, ova vrsta vrijeme provodi pulsirajući u vodi. Boja meduza rezultat je jedenja algi.

druge prezentacije o molekularna fizika

"Nuklearna energija vezanja" - Elementi s masenim brojevima od 50 do 60 imaju najveću energiju vezanja (8,6 MeV/nukleon) - Defekt mase. Coulombove sile teže razbiti jezgru. Energija vezanja nukleona na površini manja je od energije nukleona unutar jezgre. Uchim.net. Energija vezanja atomskih jezgri. Specifična energija vezanja. Einsteinova jednadžba između mase i energije:

"Struktura atomske jezgre" - Geigerov brojač Oblačna komora. Radij (zračeći). Korištenje radioaktivnog zračenja. Marie Sklodowska-Curie i Pierre Curie. Becquerel Antoine Henri - 1897 Termonuklearna fuzija je reakcija fuzije lakih jezgri. M-maseni broj - masa jezgre, broj nukleona, broj neutrona M-Z. Polonij. Lančana nuklearna reakcija.

„Primjena fotoelektričnog efekta“ – Drž obrazovna ustanova NPO Profesionalni licej №15. Povijest otkrića i proučavanja fotoelektričnog efekta. Izvršila: učiteljica fizike Varlamova Marina Viktorovna. Einsteinova jednadžba za fotoelektrični efekt A. Einstein. promatranje fotoelektričnog efekta. Stoletov A.G. Jačina struje zasićenja proporcionalna je intenzitetu zračenja koje pada na katodu.

"Struktura jezgre atoma" - A. 10 -12. Radioaktivna transformacija atomskih jezgri. Prema tome, zračenje se sastoji od tokova pozitivnih čestica, negativnih i neutralnih. 13 - 15. 1896. Henri Becquerel (Francuz) otkrio je fenomen radioaktivnosti. Označava se - , ima masu? 1a.u.m. a naboj je jednak naboju elektrona. 5. Atom je neutralan, jer naboj jezgre jednak je ukupnom naboju elektrona.

"Sastav atomske jezgre" - Maseni broj. NUKLEARNE SILE – privlačne sile koje vežu protone i neutrone u jezgri. Nuklearne sile. Opći pogled na oznaku jezgre. Broj naplate. Broj naboja jednak je naboju jezgre, izraženom u elementarnim električnim nabojima. Broj naboja jednak je rednom broju kemijski element. Mnogo puta veća od Coulombovih sila.

"Sinteza plazme" - Rok izgradnje je 8-10 godina. Hvala vam na pažnji. Izgradnja i infrastruktura ITER-a. Stvaranje TOKAMAKA. Projektni parametri ITER-a. Stvaranje ITER-a (ITER). 5. Približni trošak 5 milijardi eura. Termonuklearno oružje. Ruski doprinos reaktoru ITER. 2. Prednost termonuklearne energije. Energetski zahtjevi.

Vodikov atom hvata elektronske oblake. I premda moderni fizičari čak mogu odrediti oblik protona uz pomoć akceleratora, atom vodika će, očito, ostati najmanji objekt, čiju sliku ima smisla nazvati fotografijom. Lenta.ru predstavlja pregled modernim metodama fotografiranje mikrokozmosa.

Strogo govoreći, ovih dana gotovo da i više nema obične fotografije. Slike koje obično nazivamo fotografijama i koje se mogu naći, primjerice, u bilo kojem fotoeseju Lenta.ru, zapravo su računalni modeli. Fotoosjetljiva matrica u posebnom uređaju (tradicionalno se još naziva "kamera") određuje prostornu raspodjelu intenziteta svjetlosti u nekoliko različitih spektralnih područja, upravljačka elektronika pohranjuje te podatke u digitalnom obliku, a zatim drugi elektronički sklop na temelju tih podataka upravlja tranzistorima u zaslonu s tekućim kristalima. Film, papir, posebna rješenja za njihovu obradu - sve je to postalo egzotika. A ako se prisjetimo doslovnog značenja riječi, onda je fotografija "slikanje svjetlom". Pa što reći da su znanstvenici uspjeli fotografirati atom, moguće je samo uz priličnu količinu konvencionalnosti.

Više od polovice svih astronomskih fotografija odavno je snimljeno infracrvenim, ultraljubičastim i rendgenski teleskopi. Elektronski mikroskopi ne zrače svjetlom, već elektronskim snopom, dok mikroskopi atomske sile skeniraju reljef uzorka iglom. Postoje rendgenski mikroskopi i skeneri magnetske rezonancije. Svi ti uređaji daju nam točne slike raznih predmeta, i unatoč činjenici da ovdje, naravno, nije potrebno govoriti o "svjetlopisu", ipak si dopuštamo takve slike nazvati fotografijama.

Eksperimenti fizičara koji određuju oblik protona ili raspodjelu kvarkova unutar čestica ostat će iza kulisa; naša će priča biti ograničena na razmjere atoma.

Optika nikad ne stari

Kako se pokazalo u drugoj polovici 20. stoljeća, optički mikroskopi još uvijek imaju prostora za razvoj. Odlučujući trenutak u biološkim i medicinskim istraživanjima bila je pojava fluorescentnih boja i metoda koje omogućuju selektivno označavanje određenih tvari. Nije to bila "samo nova boja", bila je to prava revolucija.

Suprotno uobičajenoj zabludi, fluorescencija uopće nije sjaj u mraku (potonji se naziva luminiscencija). To je fenomen apsorpcije kvanta određene energije (recimo plave svjetlosti) nakon čega slijedi emisija drugih kvanta niže energije i sukladno tome drugačija svjetlost (kada se apsorbira plava, emitirat će se zelena). Ako stavite filtar koji propušta samo kvante koje emitira boja i blokira svjetlost koja uzrokuje fluorescenciju, možete vidjeti tamnu pozadinu sa svijetlim mrljama boja, a boje zauzvrat mogu obojiti uzorak izuzetno selektivno .

Na primjer, možete obojiti citoskelet živčane stanice crveno, sinapse označiti zelenom, a jezgru plavom bojom. Možete izraditi fluorescentnu oznaku koja će vam omogućiti otkrivanje proteinskih receptora na membrani ili molekula koje sintetizira stanica pod određenim uvjetima. Metoda imunohistokemijskog bojenja revolucionirala je biološku znanost. A kada su genetički inženjeri naučili kako napraviti transgene životinje s fluorescentnim proteinima, ova je metoda doživjela ponovno rođenje: na primjer, miševi s oslikanim različite boje neuroni.

Osim toga, inženjeri su osmislili (i prakticirali) metodu takozvane konfokalne mikroskopije. Njegova bit leži u činjenici da se mikroskop fokusira na vrlo tanak sloj, a posebna dijafragma odsijeca svjetlost koju stvaraju objekti izvan tog sloja. Takav mikroskop može sekvencijalno skenirati uzorak odozgo prema dolje i dobiti hrpu slika, što je gotova osnova za trodimenzionalni model.

Upotreba lasera i sofisticiranih sustava za kontrolu optičkih zraka omogućila je rješavanje problema blijeđenja boje i sušenja osjetljivih bioloških uzoraka pod jakim svjetlom: laserska zraka skenira uzorak samo kada je to potrebno za snimanje. A kako ne bi gubili vrijeme i trud na ispitivanje velikog preparata kroz okular s uskim vidnim poljem, inženjeri su predložili automatski sustav skeniranje: staklo s uzorkom može se postaviti na postolje modernog mikroskopa, a uređaj će samostalno snimiti veliku panoramu cijelog uzorka. U isto vrijeme, na pravim mjestima, fokusirat će se, a zatim zalijepiti mnoge okvire.

Neki mikroskopi mogu primiti žive miševe, štakore ili barem male beskralješnjake. Drugi daju blagi porast, ali se kombiniraju s rendgenskim aparatom. Kako bi se uklonile smetnje vibracija, mnogi su postavljeni na posebne stolove teške nekoliko tona u zatvorenom prostoru s pažljivo kontroliranom mikroklimom. Cijena takvih sustava premašuje cijenu drugih elektronskih mikroskopa, a natjecanja za najljepši okvir odavno su postala tradicija. Uz to se nastavlja usavršavanje optike: od traženja najbolje sorte stakla i odabir optimalnih kombinacija leća, inženjeri su prešli na načine fokusiranja svjetla.

Posebno smo naveli niz tehničkih detalja kako bismo pokazali da je napredak u biološkim istraživanjima dugo bio povezan s napretkom u drugim područjima. Da nema računala koja su sposobna automatski prebrojati broj obojenih stanica na nekoliko stotina fotografija, supermikroskopi ne bi bili od velike koristi. A bez fluorescentnih boja svi milijuni stanica ne bi se međusobno razlikovali, pa bi bilo gotovo nemoguće pratiti nastajanje novih ili odumiranje starih.

Zapravo, prvi mikroskop bila je stezaljka sa sferičnom lećom pričvršćenom na nju. Analog takvog mikroskopa može biti jednostavan igraća karta s napravljenom rupom i kapljicom vode. Prema nekim izvješćima, takve su uređaje koristili rudari zlata u Kolimi još u prošlom stoljeću.

Izvan granice difrakcije

Optički mikroskopi imaju temeljni nedostatak. Činjenica je da je iz oblika svjetlosnih valova nemoguće obnoviti oblik onih predmeta za koje se pokazalo da su mnogo manji od valne duljine: možete isto tako pokušati ispitati finu teksturu materijala rukom u debela rukavica za zavarivanje.

Ograničenja nastala difrakcijom djelomično su prevladana, i to bez kršenja zakona fizike. Dvije okolnosti pomažu optičkim mikroskopima da zarone ispod difrakcijske barijere: činjenica da tijekom fluorescencije kvante emitiraju pojedinačne molekule boje (koje mogu biti dosta udaljene jedna od druge) i činjenica da je superponiranjem svjetlosnih valova moguće dobiti svijetle točka promjera manjeg od valne duljine.

Kada se međusobno preklapaju, svjetlosni valovi mogu se poništiti, stoga su parametri osvjetljenja uzorka takvi da najmanja moguća površina pada u svijetlo područje. U kombinaciji s matematičkim algoritmima koji mogu, na primjer, ukloniti duhove, takvo usmjereno osvjetljenje omogućuje dramatično poboljšanje kvalitete slike. Postaje moguće, na primjer, ispitati unutarstanične strukture optičkim mikroskopom i čak (kombinirajući opisanu metodu s konfokalnom mikroskopijom) dobiti njihove trodimenzionalne slike.

Elektronski mikroskop prije elektroničkih instrumenata

Kako bi otkrili atome i molekule, znanstvenici ih nisu morali gledati - molekularna teorija nije trebala vidjeti objekt. Ali mikrobiologija je postala moguća tek nakon izuma mikroskopa. Stoga su se mikroskopi isprva povezivali upravo s medicinom i biologijom: fizičari i kemičari koji su proučavali mnogo manje objekte kojima se upravlja drugim sredstvima. Kada su htjeli pogledati i mikrokozmos, ograničenja difrakcije postala su ozbiljan problem, pogotovo zato što su gore opisane metode fluorescentne mikroskopije još uvijek bile nepoznate. I nema smisla povećavati razlučivost s 500 na 100 nanometara ako je predmet koji se razmatra čak i manji!

Znajući da se elektroni mogu ponašati i kao val i kao čestica, njemački fizičari su 1926. godine izradili elektronsku leću. Ideja na kojoj se temelji bila je vrlo jednostavna i razumljiva svakom školarcu: budući da elektromagnetsko polje skreće elektrone, može se koristiti za promjenu oblika snopa tih čestica povlačenjem u različitim smjerovima ili, naprotiv, za smanjenje promjer grede. Pet godina kasnije, 1931., Ernst Ruska i Max Knoll izradili su prvi svjetski elektronski mikroskop. U uređaju je uzorak najprije osvijetljen snopom elektrona, a zatim je elektronska leća proširila snop koji je prošao prije nego što je pao na poseban luminiscentni zaslon. Prvi mikroskop dao je samo povećanje od 400 puta, ali zamjena svjetlosti elektronima otvorila je put fotografiranju s povećanjem stotinama tisuća puta: dizajneri su morali prevladati samo nekoliko tehničkih prepreka.

Elektronski mikroskop omogućio je ispitivanje strukture stanica u kvaliteti koja je prije bila nedostižna. Ali iz ove slike nemoguće je razumjeti starost stanica i prisutnost određenih proteina u njima, a ova informacija je znanstvenicima vrlo potrebna.

Sada vam elektronski mikroskopi omogućuju fotografiranje virusa zatvori. Postoje razne modifikacije uređaja koje omogućuju ne samo sjaj kroz tanke dijelove, već i njihovo razmatranje u "reflektiranoj svjetlosti" (u reflektiranim elektronima, naravno). Nećemo detaljno govoriti o svim opcijama za mikroskope, ali napominjemo da su nedavno istraživači naučili kako vratiti sliku iz difrakcijskog uzorka.

Dodirni, ne vidi

Još jedna revolucija došla je na račun daljnjeg odstupanja od načela "osvijetli i vidi". Mikroskop atomske sile, kao ni pretražni tunelski mikroskop više ne osvjetljavaju površinu uzoraka. Umjesto toga, površinom se kreće posebno tanka igla, koja doslovno odbija čak i na neravninama veličine jednog atoma.

Ne ulazeći u detalje svih takvih metoda, napominjemo glavnu stvar: igla tunelskog mikroskopa ne samo da se može pomicati po površini, već se također može koristiti za preraspodjelu atoma s mjesta na mjesto. Tako znanstvenici stvaraju natpise, crteže pa čak i crtiće u kojima se nacrtani dječak igra atomom. Pravi atom ksenona vučen vrhom skenirajućeg tunelskog mikroskopa.

Naziva se tunelskim mikroskopom jer koristi učinak tunelske struje koja teče kroz iglu: elektroni prolaze kroz raspor između igle i površine zbog efekta tuneliranja koji predviđa kvantna mehanika. Za rad ovog uređaja potreban je vakuum.

Mikroskop atomske sile (AFM) mnogo je manje zahtjevan za uvjete okoline - može (uz brojna ograničenja) raditi bez pumpanja zraka. U određenom smislu, AFM je nanotehnološki nasljednik gramofona. Igla postavljena na tanki i fleksibilni konzolni nosač ( konzola a tu je i “nosač”), kreće se po površini bez napona i prati reljef uzorka na isti način kao što gramofonska igla prati utore gramofonske ploče. Savijanje konzole uzrokuje odstupanje zrcala pričvršćenog na njega, zrcalo skreće lasersku zraku, što omogućuje vrlo precizno određivanje oblika uzorka koji se proučava. Glavna stvar je imati prilično točan sustav za pomicanje igle, kao i zalihu igala koje moraju biti savršeno oštre. Polumjer zakrivljenosti na vrhovima takvih igala ne smije biti veći od jednog nanometra.

AFM vam omogućuje da vidite pojedinačne atome i molekule, ali, poput tunelskog mikroskopa, ne dopušta vam da pogledate ispod površine uzorka. Drugim riječima, znanstvenici moraju birati između mogućnosti da vide atome i mogućnosti proučavanja cijelog objekta. Međutim, čak ni za optičke mikroskope, unutrašnjost proučavanih uzoraka nije uvijek dostupna, jer minerali ili metali obično slabo propuštaju svjetlost. Osim toga, još uvijek postoje poteškoće s fotografiranjem atoma - ti objekti izgledaju kao jednostavne lopte, oblik oblaka elektrona nije vidljiv na takvim slikama.

Sinkrotronsko zračenje, koje nastaje tijekom usporavanja nabijenih čestica raspršenih akceleratorima, omogućuje proučavanje okamenjenih ostataka pretpovijesnih životinja. Rotacijom uzorka pod X-zrakama možemo dobiti trodimenzionalne tomograme - tako je, primjerice, pronađen mozak unutar lubanje ribe koja je izumrla prije 300 milijuna godina. Možete učiniti bez rotacije ako se registracija propuštenog zračenja vrši fiksiranjem rendgenskih zraka raspršenih zbog difrakcije.

I to nisu sve mogućnosti koje X-zrake otvaraju. Kada se njime ozrači, mnogi materijali fluoresciraju, a priroda fluorescencije može se koristiti za određivanje kemijski sastav tvari: na taj način znanstvenici boje drevne artefakte, Arhimedova djela izbrisana u srednjem vijeku ili boje perje davno izumrlih ptica.

Poziranje atoma

U pozadini svih mogućnosti koje pružaju metode X-zraka ili optičke fluorescencije, novi put Fotografiranje pojedinačnih atoma više se ne čini tako velikim pomakom u znanosti. Bit metode koja je omogućila dobivanje slika predstavljenih ovoga tjedna je sljedeća: elektroni se izvlače iz ioniziranih atoma i šalju u poseban detektor. Svaki čin ionizacije skida elektron s određenog položaja i daje jednu točku na "fotografiji". Skupivši nekoliko tisuća takvih točaka, znanstvenici su formirali sliku koja prikazuje najvjerojatnija mjesta za pronalazak elektrona oko jezgre atoma, a to je, po definiciji, elektronski oblak.

Zaključno, recimo da je sposobnost da se vide pojedinačni atomi s njihovim elektronskim oblacima više poput trešnje na torti moderne mikroskopije. Znanstvenicima je bilo važno proučavati strukturu materijala, proučavati stanice i kristale, a razvoj tehnologija koji je iz toga proizašao omogućio je da se dođe do atoma vodika. Sve manje je već sfera interesa fizičara elementarne čestice. A biolozi, znanstvenici za materijale i geolozi još uvijek imaju prostora za poboljšanje mikroskopa čak i s prilično skromnim povećanjem u usporedbi s atomima. Stručnjaci za neurofiziologiju, primjerice, odavno žele imati uređaj koji može vidjeti pojedinačne stanice unutar živog mozga, a tvorci rovera prodali bi dušu za elektronski mikroskop koji bi stao u svemirsku letjelicu i mogao raditi na Marsu.

Do sada su znanstvenici mogli samo pretpostaviti prisutnost molekularnih struktura. Danas se uz pomoć mikroskopa atomskih sila sasvim jasno mogu vidjeti pojedinačne atomske veze (svaka duga nekoliko desetaka milijuntih dijelova milimetra) koje povezuju molekulu (26 atoma ugljika i 14 atoma vodika).

U početku je tim želio raditi sa strukturama napravljenim od grafena, jednoslojnog materijala u kojem su atomi ugljika raspoređeni u heksagonalne uzorke. Formirajući saće ugljika, atomi se preuređuju iz linearnog lanca u šesterokute; ova reakcija može proizvesti nekoliko različitih molekula.

Felix Fischer, kemičar sa kalifornijskog sveučilišta u Berkeleyu, i njegovi kolege željeli su vizualizirati molekule kako bi bili sigurni da su sve ispravno shvatili.

Prstenasta molekula koja sadrži ugljik, prikazana prije i poslije reorganizacije s dva najčešća produkta reakcije na temperaturama iznad 90 stupnjeva Celzijusa. Veličina: 3 angstroma ili tri do deset milijarditog dijela metra u promjeru.

Kako bi dokumentirao recept za grafen, Fisher je trebao snažan uređaj za snimanje i okrenuo se mikroskopu atomske sile koji je imao Michael Crommie iz laboratorija Sveučilišta u Kaliforniji.

Beskontaktna mikroskopija atomske sile (NC-AFM) koristi vrlo tanak i osjetljiv senzor za otkrivanje električne sile koju generiraju molekule. Vrh se kreće blizu površine molekule, skrećući ga različiti naboji, stvarajući sliku kretanja atoma.

Jednoatomni vrh beskontaktnog mikroskopa atomske sile "sondira" površinu oštrom iglom. Igla se kreće duž površine predmeta koji se proučava, baš kao što igla fonografa prolazi kroz utore ploče. Osim atoma, moguće je "sondirati" i atomske veze

Tako je tim uspio ne samo vizualizirati atome ugljika, već i veze između njih koje stvaraju zajednički elektroni. Postavili su ugljikove prstenaste strukture na srebrnu ploču i zagrijali je kako bi reorganizirali molekulu. Ohlađeni produkti reakcije sadržavali su tri neočekivana proizvoda i samo jednu molekulu koju su znanstvenici očekivali.

Po prvi put u svijetu znanstvenici su uspjeli dobiti vizualnu sliku molekule u rezoluciji pojedinačnih atoma u procesu preslagivanja svojih molekularnih veza. Dobivena slika pokazala se iznenađujuće sličnom slikama iz udžbenika kemije.

Do sada su znanstvenici mogli donositi samo hipotetske zaključke o molekularnim strukturama. Ali uz pomoć nova tehnologija pojedinačne atomske veze - svaka duga nekoliko desetmilijuntnih dijelova milimetra - koje povezuju 26 atoma ugljika i 14 atoma vodika u ovoj molekuli postaju jasno vidljive. Rezultati ove studije objavljeni su 30. svibnja u časopisu Science.

Tim eksperimentatora u početku je imao za cilj precizno sastaviti nanostrukture od grafena, jednoslojnog atomskog materijala u kojem su atomi ugljika raspoređeni u ponavljajući heksagonalni uzorak. Stvaranje ugljičnog saća zahtijeva preuređivanje atoma iz linearnog lanca u heksagonalnu mrežu; takva reakcija može stvoriti nekoliko različitih molekula. Kemičar s Berkeleyja Felix Fischer i njegovi kolege htjeli su vizualizirati molekule kako bi bili sigurni da sve rade kako treba.

Molekula koja sadrži ugljik na fotografiji prikazana je prije i nakon njezine preraspodjele, uz uključivanje dva najčešća produkta reakcije. Mjerilo slike - 3 angstrema, ili 3 desetmilijardita dijela metra

Kako bi dokumentirao recept za grafen, Fisher je trebao vrlo moćan optički instrument, a koristio je atomski mikroskop smješten u laboratoriju na Sveučilištu Berkeley. Atomski mikroskopi bez kontakta koriste iznimno osjetljivu iglu za očitavanje električnih sila koje proizvode molekule; dok se vrh igle pomiče duž površine molekule, skreće ga različiti naboji, stvarajući sliku rasporeda atoma i veza između njih.

Uz njegovu pomoć, tim istraživača uspio je ne samo vizualizirati atome ugljika, već i veze koje stvaraju elektroni između njih. Postavili su molekulu u obliku prstena na srebrnu površinu i zagrijali je kako bi promijenili oblik. Naknadnim hlađenjem uspjeli su fiksirati produkte reakcije među kojima su bile tri neočekivane komponente i jedna molekula koju su znanstvenici očekivali.