Warum können wir Atome mit einem optischen Mikroskop nicht sehen?

Durch ein optisches Mikroskop können wir Bakterien und Zellen sehen, die mit bloßem Auge nicht zu erkennen sind, doch bei kleineren Dingen wie Atomen sind wir machtlos.

Warum können optische Mikroskope keine Atome sehen? Man könnte natürlich denken, dass dies daran liegt, dass die Vergrößerung des optischen Mikroskops nicht hoch genug ist, aber das ist nicht der wahre Grund, oder diese Aussage ist nicht genau genug. Vor dem 17. Jahrhundert wussten die Menschen bis zur Erfindung des Mikroskops fast nichts über die mikroskopische Welt. Allerdings war die Vergrößerung der ersten Mikroskope äußerst begrenzt und es war unmöglich, mit ihnen Mikroorganismen zu beobachten. Allenfalls könnten sie zur Beobachtung von Flöhen eingesetzt werden. Trotzdem waren Mikroskope damals noch seltene und teure Gegenstände. Ein Hausmeister namens Robert Hooke interessierte sich ebenfalls sehr für Mikroskope, hatte jedoch nicht das Geld, um ein so teures Objekt zu kaufen, und beschloss daher, das Mikroskop selbst zu schleifen.

Man muss sagen, dass Robert Hookes Technik zum Schleifen von Spiegeln absolut herausragend war. Er schliff eine Linse in eine winzige Glasperle und legte sie in ein kleines Loch in einem Kupferblech ein, wodurch er ein Mikroskop mit einer einfachen Struktur schuf.

Obwohl das Mikroskop von Robert Hooke einfach aufgebaut war, war es leistungsstark und konnte Objekte 300-fach vergrößern. Tatsächlich entwickelte er ein echtes Mikroskop. Später entdeckte Robert Hooke mithilfe eines von ihm hergestellten Mikroskops die Existenz von Bakterien und roten Blutkörperchen im Blut. Aufgrund seiner erstaunlichen Entdeckung wurde er das erste Mitglied der Royal Society of London, das kein Latein sprach. Zuvor war Latein eine Grundvoraussetzung für die Mitgliedschaft, da Latein die universelle Sprache der Wissenschaft war.

Es ist fast 400 Jahre her, dass Robert Hooke das echte Mikroskop erfand. Die Vergrößerungsleistung moderner optischer Mikroskope übertrifft das bisherige Niveau bei weitem und kann das Bild eines Objekts bis auf das 2.000-fache vergrößern.

Mithilfe optischer Mikroskope können wir heute die Zellen von Tieren oder Pflanzen deutlich erkennen. Wenn wir jedoch eine mikroskopischere Welt erforschen möchten, sind optische Mikroskope wirkungslos. Was ist kleiner als eine Zelle? Es sind Atome. Wie klein ist ein Atom? Ein Wassertropfen, von dem wir normalerweise sprechen, ist etwa 0,05 ml groß, aber dieser Wassertropfen enthält mindestens 100 Billionen Wassermoleküle, und jedes Wassermolekül besteht aus 2 Wasserstoffatomen und 1 Sauerstoffatom. Man sieht, wie klein Atome sind. Beispiel Kupfer: 1 Gramm Kupfer enthält 95 Billionen Kupferatome.

Atome sind tatsächlich viel kleiner als Bakterien und Zellen und können mit vorhandenen optischen Mikroskopen nicht gesehen werden. Wäre es also nicht ausreichend, die Vergrößerung des optischen Mikroskops einfach weiter zu erhöhen? Nein, es funktioniert nicht. Der Grund, warum es nicht funktioniert, liegt in den inhärenten Prinzipien des optischen Mikroskops.

Optische Mikroskope sind zur Beobachtung von Objekten auf sichtbares Licht angewiesen. Was ist sichtbares Licht? Es handelt sich um Licht mit einer Wellenlänge zwischen 390 und 780 Nanometern, und der Durchmesser eines Atoms liegt in der Größenordnung von 10-10 Metern. Offensichtlich ist der Durchmesser eines Atoms viel kleiner als die Wellenlänge des Lichts. Es ist ersichtlich, dass es sich hierbei nicht um ein Vergrößerungsproblem handelt, da sichtbares Licht mit einer Wellenlänge, die viel größer ist als der Atomdurchmesser, einer deutlichen Beugung unterliegt, wenn es auf ein Atom trifft, was dazu führt, dass kein klares Bild erzeugt werden kann. Da wir Atome nicht mit sichtbarem Licht beobachten können, woher kennen wir dann ihre Struktur?

Obwohl die Wellenlänge des sichtbaren Lichts viel größer ist als der Durchmesser eines Atoms, gibt es viele andere Dinge auf der Welt, deren Wellenlängen viel kleiner sind als die von Atomen, wie beispielsweise Elektronen.

Die Wellenlänge von Elektronen liegt in der Größenordnung von 10–12 Metern. Daher ist es durchaus möglich, Elektronen zur Beobachtung von Atomen zu verwenden. So kam 1933 das erste Elektronenmikroskop der Welt auf den Markt. Ein Elektronenmikroskop unterscheidet sich grundlegend von einem herkömmlichen optischen Mikroskop. Wenn es in Betrieb ist, sendet es hochenergetische Elektronenstrahlen in Richtung des Ziels aus. Diese Elektronenstrahlen interagieren nach dem Kontakt mit dem Ziel. Das Elektronenmikroskop zeichnet dann Bilder basierend auf den Effekten dieser Wechselwirkungen. Wir können dann Atome durch die vom Elektronenmikroskop erzeugten Bilder beobachten. Elektronenmikroskope können Atome jedoch nur in Gruppen beobachten. Noch immer ist es unmöglich, detaillierte Beobachtungen einzelner Atome durchzuführen. So entstand das „Rastertunnelmikroskop“.

Das Kernprinzip der Rastertunnelmikroskopie ist der Quantentunneleffekt.

Bei der Arbeit wird eine Sonde von der Größe einer Atomspitze verwendet, um sich dem Beobachtungsziel zu nähern und zwischen der Sonde und dem Beobachtungsziel eine Spannung anzulegen. Wenn der Abstand zwischen den beiden verringert wird, wird aufgrund des Quantentunneleffekts ein Tunnelstrom erzeugt. Wenn die Sonde verschiedene Teile des Beobachtungsziels scannt, schwankt der erzeugte Tunnelstrom. Das Rastertunnelmikroskop zeichnet diese Schwankung auf und stellt sie in einem Bild dar. Durch das Bild können wir intuitiv erkennen, wie das Atom aussieht. Wie klein kann ein Rastertunnelmikroskop also sehen? Seine Auflösung kann 0,01 Nanometer erreichen. Gerade dank dieser leistungsstarken Werkzeuge haben wir die Möglichkeit, mikroskopische Strukturen zu erkennen, die mit bloßem Auge einfach nicht zu erkennen sind.

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