Kryo-Elektronenmikroskopie sieht echte Atome! Sieht es so aus, wie die Wissenschaft es vorhersagt?

Alle Materie auf der Erde besteht aus Atomen, den kleinsten Einheiten, die die Eigenschaften der Materie bilden. Der kleinste Durchmesser eines Wasserstoffatoms beträgt etwa 10^-10 Meter oder 0,1 Nanometer oder ein Milliardstel Meter; Die Masse eines Wasserstoffatoms beträgt etwa 1,674*10^-27 Kilogramm und auf der Spitze einer Nadel können 100 Billionen Atome angeordnet werden.

Das Verständnis der Menschen für Atome hat sich von der Vermutung zur Theorie und schließlich zur heutigen Möglichkeit entwickelt, Atome tatsächlich zu sehen. Wie läuft dieser Prozess ab? Stimmen die Atome, die wir jetzt sehen, mit früheren Theorien überein? Lassen Sie es uns gemeinsam herausfinden.

Die Geschichte der Entwicklung des Wissens über Atome lässt sich bis vor über 2.500 Jahren zurückverfolgen, als antike griechische Wissenschaftler das Konzept der Atome hatten. Dieses Konzept wurde vom antiken griechischen materialistischen Philosophen Leukipp vorgeschlagen und von seinem Schüler Demokrit weiterentwickelt und perfektioniert. Demokrits grundlegende Beschreibung der Atome lautet:

Atome sind der Ursprung aller Dinge; ihre grundlegenden Eigenschaften sind Fülle und Festigkeit, das heißt, es gibt keine Lücke im Inneren, sie sind fest, undurchdringlich und unteilbar; Atome sind ewig, unsterblich und unendlich zahlreich; Atome befinden sich immer in Bewegung und ihre Bewegungsform ist Schwingung. Atome sind extrem klein und können vom Menschen nicht gesehen, nicht mit den Sinnen wahrgenommen und nur mit dem Verstand verstanden werden.

Diese Erkenntnisse bleiben lediglich auf der philosophischen Ebene und sind Vermutungen, doch viele von ihnen stehen im Einklang mit heute entdeckten wissenschaftlichen Prinzipien, wie etwa, dass Materie nicht unendlich teilbar ist, Atome die kleinsten Einheiten sind, Atome sich immer in Bewegung befinden und so weiter. Es gibt aber auch viele, die nicht mit späteren wissenschaftlichen Entdeckungen übereinstimmen, wie etwa Fülle und Festigkeit, Undurchdringlichkeit und Unteilbarkeit, Unsterblichkeit und unendliche Zahl.

Aber es ist schon sehr wertvoll, diese Dinge vor 2.500 Jahren wissen zu können. Unsere Vorfahren glaubten jedoch, dass Materie unendlich teilbar sei, das heißt, wenn man jeden Tag die Hälfte eines 30 cm langen Stocks nehme, würde sie nie ausgehen. Die Atomtheorie stellte ausgehend von dieser Vermutung einen großen Fortschritt dar und markierte die Anfänge der Wissenschaft. Später wurde das antike Griechenland tatsächlich zur frühesten Geburtsstätte der Weltwissenschaft.

Seit Demokrit die Atomtheorie aufstellte, hat es über zweitausend Jahre lang keine größeren Fortschritte gegeben. Erst im 17. Jahrhundert begannen viele Wissenschaftler, die Existenz von Atomen durch eine große Zahl von Experimenten zu bestätigen und allmählich die wahre Natur der Atome zu verstehen.

Im frühen 19. Jahrhundert schlug der britische Chemiker John Dalton erstmals das Atommodell mit moderner wissenschaftlicher Bedeutung vor, das drei Kernpunkte hat: 1. Atome sind unteilbare Teilchen; 2. Atome desselben Elements haben dieselben Eigenschaften und dieselbe Masse; 3. Atome sind winzige feste Kugeln und können nicht geteilt werden.

Die größte Errungenschaft von Daltons Atommodell besteht darin, dass es das Phänomen aufgedeckt hat, dass jedes Element nur eine Art von Atomen enthält und verschiedene Atome sich zu Verbindungen verbinden. aber die Aussage, dass Atome unteilbar und feste Kugeln seien, unterscheidet sich nicht von der Aussage Demokrits.

Der britische Physiker Joseph John Thomson entdeckte das Elektron und schlug 1904 erstmals das Atommodell vor, in dem Atome Unterstrukturen haben, was Daltons „Festkörperkugelmodell“ widerlegte. Thomsons Modell wird als „Dattelkuchenmodell“ oder „Rosinenkuchenmodell“ bezeichnet, manche nennen es auch „Wassermelonenmodell“.

Thomson glaubte, dass ein Atom eine Kugel mit einer positiven Ladung sei und dass Elektronen im Atom eingebettet seien, wie Datteln in einem Dattelkuchen, Rosinen in einem Rosinenkuchen oder Wassermelonenkerne in einer Wassermelone.

Der Kern seiner Theorie besteht aus zwei Punkten: 1. Elektronen sind gleichmäßig im Atom verteilt, als wären sie in einem Ozean mit gleichmäßig positiver Ladung verstreut, und die negativen und positiven Ladungen der Elektronen heben sich gegenseitig auf; 2. Bei Anregung verlassen Elektronen das Atom und erzeugen Kathodenstrahlen.

Die größte Errungenschaft dieser Theorie ist die Entdeckung der Substruktur von Atomen und der Erkenntnis, dass Elektronen Atome verlassen, wenn sie angeregt werden. Dadurch wird die Annahme durchbrochen, dass Atome feste Kugeln sind, die unzerbrechlich und unteilbar sind.

Doch schon bald wurde Thomsons Theorie von seinem Schüler Ernest Rutherford widerlegt. Rutherford schlug 1911 das „Planetenmodell“ des Atoms vor, dessen Hauptkern wie folgt aussieht: 1. Der größte Teil des Volumens des Atoms ist leer, und der Kern ist ein sehr kleiner Atomkern, der fast die gesamte Masse des Atoms einnimmt und die gesamte positive Ladung trägt; 2. Elektronen sind negativ geladen und kreisen auf einer bestimmten Umlaufbahn um den Atomkern, genau wie Planeten um die Sonne kreisen.

Diese Theorie kam dem wahren Erscheinungsbild der Atome sehr nahe und hatte daher tiefgreifende und nachhaltige Auswirkungen. Viele ältere Menschen haben diese Theorie in ihrer Jugend gelernt, und viele Illustrationen oder Werbebilder wissenschaftlicher Dinge verwenden noch immer dieses Modell mit einem Atomkern in der Mitte und mehreren Punkten, die um den Kern kreisen und schöne Kreuzbahnen bilden.

Doch dieses Modell wurde bereits vor langer Zeit durch die aufkommende Quantenmechanik widerlegt. Die Kernidee der Quantenmechanik ist der Welle-Teilchen-Dualismus von Teilchen, die der Unschärferelation gehorchen. Das heißt, die Bewegung von Teilchen hat die Eigenschaften einer probabilistischen Wellenfunktion und ihre Position und ihr Impuls können nicht gleichzeitig bestimmt werden. Auf diese Weise können sich Elektronen nicht in geordneter Weise bewegen, wie Planeten die Sonne umkreisen. Stattdessen erscheinen Elektronen zufällig an jeder beliebigen Position um den Kern herum und bilden so ein Elektronenwolkenmodell des Atoms. Siehe Abbildung unten:

Diese Theorien analysieren die innere Natur der Atome Schicht für Schicht und scheinen der Wahrheit immer näher zu kommen. Aber letztendlich wurden diese Theorien durch Experimente und theoretische Schlussfolgerungen entwickelt, ohne die Atome gesehen zu haben. Wie also sind echte Atome? Werden sie mit der Theorie übereinstimmen?

Wie der Mensch die mikroskopische Welt Schicht für Schicht sieht. Das menschliche Auge braucht Licht, um Materie zu sehen. Erst wenn Licht auf Objekte fällt und diese das Licht reflektieren, streuen und beugen, können Menschen das Aussehen der Objekte erkennen. In der Antike betrachteten die Menschen die Welt ausschließlich mit bloßem Auge und die Entfernung und Größe der Objekte, die sie erkennen konnten, waren stark eingeschränkt.

Da viele Objekte groß und hell sind, kann das menschliche Auge natürlich auch sehr weit sehen. Wir können beispielsweise den Mond und die Sterne sehen. Der nächstgelegene dieser Himmelskörper ist etwa 400.000 Kilometer von uns entfernt, der am weitesten entfernte Hunderte oder Tausende von Lichtjahren. Die am weitesten entfernte Galaxie, die wir sehen können, ist die Andromedagalaxie, die 2,54 Millionen Lichtjahre von uns entfernt ist.

Doch das menschliche Auge kann weder eine Ameise in 100 Metern Entfernung noch die Milben sehen, die über unseren Körper krabbeln, ganz zu schweigen von den Milliarden Bakterien und Viren auf unseren Handflächen.

Dies liegt daran, dass das menschliche Sehvermögen durch die Fähigkeit zur Auflösung begrenzt ist. Da alle Objekte einen Öffnungswinkel aufweisen müssen, um durch die Pupille die Netzhaut zu erreichen, beträgt die normale Sehschärfe des menschlichen Auges etwa 1′ (Bogenminute), die Grenzauflösung von Menschen mit ausgezeichnetem Sehvermögen kann 0,5′ erreichen und die durchschnittliche Auflösung beträgt 0,75′.

Vereinfacht ausgedrückt beträgt bei einer Entfernung von 25 cm der für das menschliche Auge erkennbare Mindestabstand zwischen zwei Objektpunkten etwa 0,1 mm, die Grenze liegt bei 0,05 mm. Dieser Standard wird als klare Sichtweite bezeichnet.

Sowohl Teleskope als auch Mikroskope nutzen dieses Prinzip, um Objekte auf eine Größe zu vergrößern, die das menschliche Auge erkennen kann. Menschen können kleine Objekte sehen, die sonst unsichtbar oder schwer zu erkennen wären. Ein Teleskop bringt weit entfernte Objekte näher, was einer Vergrößerung entspricht; Ein Mikroskop vergrößert nahegelegene Materialien, die für das bloße Auge unsichtbar sind, bis sie sichtbar werden.

Das erste Mikroskop war ein optisches Mikroskop, das eine konvexe Linse verwendet, um Objekte in der Linse zu vergrößern und zu beobachten. Es verwendet sichtbares Licht, um die beobachteten Objekte zu reflektieren, zu brechen, zu streuen und zu absorbieren, wodurch die Form und Helligkeit der Probe sichtbar wird und dann durch den Linsenvergrößerungseffekt die Beobachtung ermöglicht wird.

Seitdem haben die Menschen viele Mikroorganismen gesehen, darunter auch Insekten und Bakterien, die mit bloßem Auge nicht zu erkennen sind, was der Menschheit einen großen Fortschritt in ihrem Verständnis der Welt ermöglicht hat.

Optische Teleskope haben jedoch eine Schwäche: Je stärker die Vergrößerung der konvexen Linse, desto schwerwiegender ist das Beugungsphänomen und das Objekt wird verzerrt und kann nicht klar gesehen werden. Da optische Mikroskope andererseits sichtbares Licht verwenden, kann die maximale Auflösung des Lichts nur die halbe Wellenlänge der Lichtwelle erreichen.

Sichtbares Licht besteht aus farbigem Licht wie Rot, Orange, Gelb, Grün, Cyan, Blau und Violett mit Wellenlängen im Bereich von etwa 780 bis 400 Nanometern. Daher kann selbst bei blau-violettem Licht mit der kürzesten Wellenlänge die maximale Auflösung nur 200 Nanometer erreichen. Bakterien sind unter den Mikroorganismen etwa zwischen 500 und 5000 Nanometer groß. Daher ist die Beobachtung von Bakterien mit einem optischen Teleskop im Allgemeinen kein Problem. Allerdings sind Viren wie das nur 100 Nanometer große neue Coronavirus nicht sichtbar.

Nach jahrzehntelangen Experimenten und Forschungen vieler Wissenschaftler und unter Berücksichtigung verschiedener Faktoren wurde die maximale Vergrößerung eines optischen Mikroskops auf das 1600-fache festgelegt. Ein 200 Nanometer großes Objekt ist bei 1600-facher Vergrößerung nur 0,32 Millimeter groß. Obwohl es größer ist als die Mindestauflösung des menschlichen Auges, kann das menschliche Auge die Struktur eines 0,32 mm großen Objekts nicht erkennen.

Nur wenn wir einen neuen Weg finden, können wir die Vergrößerung weiter erhöhen und kleinere Objekte sehen.

1931 wurde das erste Elektronenmikroskop geboren. Elektronenmikroskop (im Englischen abgekürzt EM), auch kurz EM genannt. Ein Elektronenmikroskop verwendet kein sichtbares Licht zur Beobachtung von Objekten. Stattdessen handelt es sich um ein Instrument, das anstelle von Lichtstrahlen und optischen Linsen Elektronenstrahlen und Elektronenlinsen (normalerweise elektromagnetische Linsen) verwendet und auf den Prinzipien der Elektronenoptik basiert, um die Feinstruktur von Materie bei sehr hoher Vergrößerung abzubilden.

Gemäß der De-Broglie-Formel beträgt die Wellenlänge der Elektronen der Lichtquelle eines Elektronenmikroskops 0,1225 Nanometer, wenn der Elektronenimpuls 100 Ve beträgt. Daher kann ein Elektronenmikroskop Objekte mit einer Größe von nur 0,2 Nanometern beobachten, was einer 1.000- bis 2.000-mal höheren Auflösung als bei einem optischen Mikroskop entspricht. Das kleinste Atom hat einen Durchmesser von etwa 10^-10 Metern oder 0,1 Nanometern. Durch die Erfindung des Elektronenmikroskops ist es dem Menschen möglich geworden, Atome zu beobachten.

Beim Eindringen in die menschliche Netzhaut verwandeln sich Atome von verschwommenem Licht und Schatten in eine sichtbare Form. Je nach Bedarf werden Elektronenmikroskope in Rasterelektronenmikroskope (REM) und Transmissionselektronenmikroskope (TEM) sowie in Rasterkraftmikroskope (AFM), Rastertunnelmikroskope (STM) usw. unterteilt.

Der Hauptunterschied zwischen einem SEM und einem TEM besteht darin, ob der Elektronenstrahl während des fokussierten Scannens durch die Probe hindurchgeht. Ein SEM scannt nur die Oberfläche einer Probe, Zeile für Zeile; Ein TEM projiziert einen Elektronenstrahl auf eine sehr dünne Probe, der die gesamte Probe durchdringt. Ihr Grundprinzip besteht jedoch darin, die Probenatome mit Elektronenstrahlen zu bombardieren, wodurch es während der Kollision zu Streuung und Beugung kommt und so Bilder entstehen, die dann für das menschliche Auge vergrößert werden.

Rasterkraftmikroskope und Rastertunnelmikroskope verwenden Sonden, um Objekte auf atomarer Ebene zu beobachten. Letzteres ist präzise genug, um einzelne Atome zu beobachten und zu lokalisieren. Aber diese Mikroskope „sehen“ die Atome auf der Oberfläche nicht; sie „spüren“ sie. Das Funktionsprinzip des STM besteht beispielsweise darin, eine sehr feine Nadelspitze sehr nahe an der Probenoberfläche zu verwenden, um durch ein vorgespanntes Potenzial einen Tunneleffekt zu erzeugen.

Dieser Tunneleffekt tritt nur zwischen wenigen Atomen an der Spitze und den Atomen auf, die der Spitzenoberfläche am nächsten sind, was zu einer atomaren Auflösung führt. Aber dieses Atombild ist verschwommen und unklar. Siehe das Bild oben:

Wissenschaftler kombinierten das Transmissionselektronenmikroskop und das Rasterelektronenmikroskop zu einem Rastertransmissionselektronenmikroskop (STEM), das sowohl die Funktionen eines Transmissionselektronenmikroskops als auch eines Rasterelektronenmikroskops besitzt. Später erfand ein Forschungsteam der Cornell University in den USA eine Technologie namens Electron Stacking Imaging, die mit STEM kombiniert wurde, um atomare Bilder mit einer 100-millionenfachen Vergrößerung zu erhalten.

Dies war das erste Mal, dass Menschen ein relativ klares Bild eines Atoms erhielten. Siehe Abbildung unten:

In den 1970er und 1980er Jahren entstand die Kryo-Elektronenmikroskopie, die einen revolutionären Durchbruch auf dem Gebiet der Mikrostrukturbeobachtung erzielte. Diese Technologie basiert auf der Probenvorbereitungs- und Transmissionstechnologie der Rasterelektronenmikroskopie (Kryo-REM) bei extrem niedrigen Temperaturen, mit der eine direkte Beobachtung von Flüssigkeiten, Halbflüssigkeiten und elektronenstrahlempfindlichen Proben wie biologischen und Polymermaterialien möglich ist.

Im Jahr 2017 erhielten drei Wissenschaftler, Jacques Dubochet, Joachim Frank und Richard Henderson, den Nobelpreis für Chemie für ihre Beiträge zur biomolekularen Bildgebungstechnologie mittels Kryo-Elektronenmikroskopie. Diese Technologie hat zu revolutionären Durchbrüchen in der mikroskopischen Welt geführt.

Im Mai 2020 nutzten zwei Wissenschaftlerteams aus Cambridge (Großbritannien) und dem Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Deutschland die Kryo-Elektronenmikroskopie-Technologie, um die bislang klarsten Fotos auf atomarer Ebene zu erhalten und erstmals einzelne Atome in Proteinen zu identifizieren.

Die vom britischen Team erhaltene Struktur mit 1,2*10^-10 Metern (0,1 Nanometer) ist sehr vollständig. Die verwendeten Geräte und Technologien können die einzelnen Wasserstoffatome im Protein und die umgebenden Wassermoleküle unterscheiden. während das deutsche Team die 1,25*10^-10 Meter große Struktur des Apoferritin-Proteins erhielt. Siehe Abbildung unten:

An diesem Punkt wird den Menschen das wahre Erscheinungsbild der Atome präsentiert. Obwohl es sich immer noch nur um die Erscheinungsform von Atomen handelt, muss man wissen, wie klein diese Substanz ist. Es ist so klein, dass Milliarden davon auf einer Nadelspitze angeordnet werden können. Die Fähigkeit, sie zu unterscheiden, zeigt die schockierenden Ergebnisse von Wissenschaft und Technologie.

Werden wir in Zukunft die innere Struktur von Atomen sehen können? Durch die Erfindung des Elektronenmikroskops und den kontinuierlichen Fortschritt in Wissenschaft und Technik ist es den Menschen endlich möglich, zu sehen, wie Atome aussehen. Dem Anschein nach sind Atome tatsächlich ein sich ständig bewegender heller Punkt, genau wie das von der Quantenmechanik beschriebene Elektronenwolkenmodell. Werden Menschen in Zukunft also in der Lage sein, die innere Struktur von Atomen zu erkennen?

Wir wissen, dass Atome bei chemischen Reaktionen unteilbar sind und die kleinsten Einheiten der Materie darstellen, die ihre grundlegenden Eigenschaften beibehalten. Dies ist bei den heute bekannten 118 Elementen der Fall. Atome können jedoch durch physikalische Methoden geteilt werden. Beispielsweise können Atome durch hohe Temperaturen, hohen Druck oder Hochgeschwindigkeitskollisionen gespalten oder verschmelzen und so zu neuen Elementen werden.

Durch verschiedene Experimente wurde bestätigt, dass Atome aus Atomkernen und Elektronen bestehen, Atomkerne aus Neutronen und Protonen und jedes Neutron und Proton aus 3 Quarks besteht. Ein Neutron besteht aus zwei Down-Quarks und einem Up-Quark, und ein Proton besteht aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark.

Das Up-Quark ist zu 2/3 positiv und das Down-Quark zu 1/3 negativ geladen. Daher sind die positiven und negativen Ladungen der Quarks im Neutron gleich und sie zeigen keine elektrischen Eigenschaften; während sich die positiven und negativen Ladungen im Proton gegenseitig aufheben und eine zusätzliche Ladung hinterlassen, sodass es eine positive Ladung aufweist; und das Elektron trägt eine negative Ladung. Ein solches Atom verfügt über so viele Elektronen wie sein Kern Protonen hat, und das Atom existiert neutral.

Werden wir diese Strukturen in Zukunft deutlich erkennen oder tiefere Strukturen innerhalb der Quarks entdecken können? Nach der aktuellen Theorie ist dies unwahrscheinlich.

Denn gemäß der Unschärferelation der Quantenmechanik ist es umso schwieriger, die kinetische Energie und Position zu bestimmen, je tiefer die winzige Struktur ist, was für die Unschärferelation gilt; und jede Beobachtung erfordert den Einsatz von Lichtquellen, darunter Elektronen und Lichtquellen mit hoher Frequenz und ultrakurzer Wellenlänge wie Röntgen- und Gammastrahlen, die die winzigen Strukturen stören und es unmöglich machen, sie klar zu erkennen.

Im Universum gibt es einzelne Protonen oder Neutronen sowie Elektronen und Positronen, die mit verschiedenen Instrumenten nachgewiesen werden können. Sie können auch in hochpräzisen Geräten und Instrumenten wie Hadronencollidern oder -beschleunigern nachgewiesen werden. Diese Erkennungen können jedoch nur mithilfe von Methoden wie Blasenkammern durchgeführt werden, um ihre Pfade zu ermitteln. Es ist unwahrscheinlich, dass man ihr „Aussehen“ wirklich „sieht“.

Darüber hinaus ist die gesamte Farbladung von Quarks gemäß der Quark-Confinement-Theorie Null und aufgrund der starken Wechselwirkungskraft können Quarks nicht allein existieren. Daher ist die Fähigkeit, das Aussehen von Atomen zu erkennen, nach den bestehenden Theorien bereits die Grenze, und wir werden in Zukunft nur noch in der Lage sein, immer klarer zu sehen.

Allerdings gibt es mittlerweile eine Stringtheorie, die besagt, dass unsere Welt ursprünglich aus 10 Dimensionen besteht und die anderen 6 Dimensionen sich zusammengerollt haben und nicht sichtbar sind. Daher besteht unsere heutige Welt aus einer vierdimensionalen Raumzeit, also aus dreidimensionalem Raum und eindimensionaler Zeit. Die kleinste Einheit, aus der diese Welt besteht, sind nicht Atome oder Punktteilchen wie Quarks, Elektronen, Photonen und Neutrinos, sondern extrem kleine lineare „Strings“.

Zu diesen „Strings“ gehören „offene Strings“ mit Endpunkten und „geschlossene Strings“ in einem Kreis. Durch die unterschiedlichen Schwingungen und Bewegungen der Saiten entstehen unterschiedliche Elementarteilchen. Dies bedeutet, dass die Größe von Saiten kleiner ist als die jedes Partikels. Diese Theorie ist sehr kompliziert, deshalb werde ich nicht näher darauf eingehen. Viele Wissenschaftler glauben, dass diese Theorie das vielversprechendste Modell für die Verwirklichung einer großen einheitlichen Theorie ist.

Die sogenannte Große Vereinheitlichung ist eine Theorie, die die starke Kraft, die schwache Kraft, die elektromagnetische Kraft und die Schwerkraft vereint.

Mittlerweile hat die wissenschaftliche Gemeinschaft die starken und elektrischen Kräfte vereinheitlicht und das Standardmodell hat im Wesentlichen die starken, elektrischen und schwachen Kräfte miteinander vereint. Nur die Schwerkraft ist weiterhin ein Rätsel, wie sie vereint werden können. Wenn alle Teilchen, einschließlich der Gravitonen, aus „Strings“ bestehen, ist die Vereinheitlichung der Schwerkraft eine natürliche Folge. Aus diesem Grund setzt die wissenschaftliche Gemeinschaft große Hoffnungen in die Stringtheorie, weshalb sie auch als große vereinheitlichte Theorie bezeichnet wird.

Wenn dies zutrifft, werden Menschen in Zukunft in der Lage sein, „Strings“ zu sehen, die kleinsten Einheiten, aus denen Materie besteht? Aufgrund der Unschärferelation der Quantenmechanik halte ich dies für unwahrscheinlich. Vielleicht werden in Zukunft disruptive Theorien auftauchen, die diese Erwartung ändern.

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