Atomer og molekyler. Verdens første bilder av atombindingene til molekyler før og etter reaksjonen Fotografier av atomer og molekyler

andre presentasjoner om molekylær fysikk

"Nuclear Binding Energy" - Grunnstoffer med massetall fra 50 til 60 har maksimal bindingsenergi (8,6 MeV/nukleon) - Massedefekt. Coulomb-krefter har en tendens til å bryte kjernen. Bindingsenergien til nukleoner på overflaten er mindre enn til nukleoner inne i kjernen. Uchim.net. Bindingsenergi til atomkjerner. Spesifikk bindingsenergi. Einsteins ligning mellom masse og energi:

"Strukturen til atomkjernen" - Geigerteller Skykammer. Radium (strålende). applikasjon radioaktiv stråling. Marie Sklodowska-Curie og Pierre Curie. Becquerel Antoine Henri - 1897 Termonukleær fusjon er fusjonsreaksjonen til lette kjerner. M-massenummer - massen til kjernen, antall nukleoner, antall nøytroner M-Z. Polonium. Kjedereaksjon.

"Anvendelse av den fotoelektriske effekten" - Statens utdanningsinstitusjon NPO Professional Lyceum nr. 15. Historien om oppdagelsen og studiet av den fotoelektriske effekten. Fullført av: lærer i fysikk Varlamova Marina Viktorovna. Einsteins ligning for den fotoelektriske effekten A. Einstein. observasjon av den fotoelektriske effekten. Stoletov A.G. Metningsstrømstyrken er proporsjonal med intensiteten av strålingen som faller inn på katoden.

"Strukturen av kjernen til atomet" - A. 10 -12. Radioaktiv transformasjon av atomkjerner. Følgelig består stråling av strømmer av positive partikler, negative og nøytrale. 13 - 15. 1896 Henri Becquerel (fransk) oppdaget fenomenet radioaktivitet. Betegnes - , har en masse? 1a.u.m. og ladningen er lik ladningen til elektronet. 5. Atomet er nøytralt, fordi ladningen til kjernen er lik den totale ladningen til elektronene.

"Sammensetningen av atomkjernen" - Massetall. KJERNEKRAFTER - tiltrekkende krefter som binder protoner og nøytroner i kjernen. Kjernefysiske styrker. Generell form kjernebetegnelser. Ladningsnummer. Ladningstallet er lik ladningen til kjernen, uttrykt i elementære elektriske ladninger. Ladningstallet er lik ordenstallet til det kjemiske elementet. Mange ganger større enn Coulomb-styrkene.

"Plasmasyntese" - Byggeperiode er 8-10 år. Takk for din oppmerksomhet. Konstruksjon og infrastruktur av ITER. Opprettelsen av TOKAMAK. ITER-designparametere. Opprettelse av ITER (ITER). 5. Omtrentlig kostnad 5 milliarder euro. Termonukleære våpen. Russlands bidrag til ITER-reaktoren. 2. Fordelen med termonukleær energi. Energikrav.

Hydrogenatom som fanger opp elektronskyer. Og selv om moderne fysikere til og med kan bestemme formen til et proton ved hjelp av akseleratorer, vil hydrogenatomet tilsynelatende forbli det minste objektet, hvis bilde er fornuftig å kalle et fotografi. Lenta.ru presenterer en oversikt moderne metoder fotografere mikrokosmos.

Strengt tatt er det nesten ingen vanlig fotografering igjen i disse dager. Bilder som vi vanligvis kaller fotografier og som for eksempel kan finnes i et hvilket som helst Lenta.ru-fotoessay, er faktisk datamodeller. En lysfølsom matrise i en spesiell enhet (tradisjonelt kalles det fortsatt et "kamera") bestemmer den romlige fordelingen av lysintensiteten i flere forskjellige spektralområder, kontrollelektronikken lagrer disse dataene i digital form, og deretter en annen elektronisk krets, basert på disse dataene, gir en kommando til transistorene i flytende krystallskjermen. Film, papir, spesialløsninger for deres behandling - alt dette har blitt eksotisk. Og hvis vi husker den bokstavelige betydningen av ordet, så er fotografering "lysmaleri". Så hva skal man si at forskerne lyktes å fotografere et atom, er bare mulig med en god del konvensjonalitet.

Mer enn halvparten av alle astronomiske bilder har lenge blitt tatt med infrarøde, ultrafiolette og røntgenteleskoper. Elektronmikroskoper bestråler ikke med lys, men med en elektronstråle, mens atomkraftmikroskoper skanner relieffet av prøven med en nål. Det er røntgenmikroskoper og magnetiske resonansavbildningsskannere. Alle disse enhetene gir oss nøyaktige bilder av ulike objekter, og til tross for at det selvfølgelig ikke er nødvendig å snakke om «lysmaleri» her, tillater vi oss likevel å kalle slike bilder fotografier.

Eksperimenter fra fysikere for å bestemme formen til et proton eller fordelingen av kvarker inne i partikler vil forbli bak kulissene; vår historie vil være begrenset til atomskalaen.

Optikk blir aldri gammel

Som det viste seg i andre halvdel av 1900-tallet, har optiske mikroskoper fortsatt plass til å utvikle seg. Et avgjørende øyeblikk i biologisk og medisinsk forskning var fremveksten av fluorescerende fargestoffer og metoder som tillater selektiv merking av visse stoffer. Det var ikke «bare ny maling», det var en skikkelig revolusjon.

I motsetning til vanlig misforståelse er ikke fluorescens en glød i mørket i det hele tatt (sistnevnte kalles luminescens). Dette er fenomenet med absorpsjon av kvanter av en viss energi (for eksempel blått lys) med påfølgende utslipp av andre kvanter med lavere energi og følgelig et annet lys (når blått absorberes, vil grønt bli sendt ut). Hvis du setter inn et filter som lar bare kvanta som sendes ut av fargestoffet passere gjennom og blokkerer lyset som forårsaker fluorescens, kan du se en mørk bakgrunn med lyse flekker av fargestoffer, og fargestoffer kan i sin tur farge prøven ekstremt selektivt .

Du kan for eksempel farge cytoskjelettet til en nervecelle rødt, markere synapsene med grønt og markere kjernen i blått. Du kan lage en fluorescerende etikett som lar deg oppdage proteinreseptorer på membranen eller molekyler syntetisert av cellen under visse forhold. Metoden for immunhistokjemisk farging har revolusjonert biologisk vitenskap. Og da geningeniører lærte å lage transgene dyr med fluorescerende proteiner, opplevde denne metoden en gjenfødelse: Mus med nevroner malt i forskjellige farger ble en realitet, for eksempel.

I tillegg kom ingeniører opp med (og praktiserte) en metode for såkalt konfokalmikroskopi. Dens essens ligger i det faktum at mikroskopet fokuserer på et veldig tynt lag, og en spesiell membran avskjærer lyset som skapes av objekter utenfor dette laget. Et slikt mikroskop kan sekvensielt skanne en prøve fra topp til bunn og få en stabel med bilder, som er et ferdig grunnlag for en tredimensjonal modell.

Bruken av lasere og sofistikerte optiske strålekontrollsystemer har gjort det mulig å løse problemet med fargefading og tørking av delikate biologiske prøver under sterkt lys: laserstrålen skanner prøven bare når det er nødvendig for bildebehandling. Og for ikke å kaste bort tid og krefter på å undersøke et stort preparat gjennom et okular med et smalt synsfelt, foreslo ingeniørene et automatisk skanningssystem: du kan sette et glass med en prøve på objektscenen til et moderne mikroskop, og enheten vil uavhengig fange et storskala panorama av hele prøven. Samtidig, i riktige steder den vil fokusere, og deretter lime mange rammer sammen.

Noen mikroskoper kan romme levende mus, rotter eller i det minste små virvelløse dyr. Andre gir en liten økning, men kombineres med røntgenapparat. For å eliminere vibrasjonsforstyrrelser er mange montert på spesielle bord som veier flere tonn innendørs med et nøye kontrollert mikroklima. Kostnaden for slike systemer overstiger kostnadene for andre elektronmikroskoper, og konkurranser om den vakreste rammen har lenge blitt en tradisjon. I tillegg fortsetter forbedringen av optikk: fra søket de beste variantene glass og valg av optimale kombinasjoner av linser, gikk ingeniørene videre til måter å fokusere lyset på.

Vi har spesifikt listet opp en rekke tekniske detaljer for å vise at fremgang innen biologisk forskning lenge har vært forbundet med fremgang på andre områder. Hvis det ikke fantes datamaskiner som automatisk kunne telle antall fargede celler i flere hundre fotografier, ville supermikroskoper vært til liten nytte. Og uten fluorescerende fargestoffer ville alle millioner av celler ikke kunne skilles fra hverandre, så det ville være nesten umulig å følge dannelsen av nye eller døden til gamle.

Faktisk var det første mikroskopet en klemme med en sfærisk linse festet til den. En analog av et slikt mikroskop kan være et enkelt spillkort med et hull laget i det og en dråpe vann. I følge noen rapporter ble slike enheter brukt av gullgruvearbeidere i Kolyma allerede i forrige århundre.

Utover diffraksjonsgrensen

Optiske mikroskoper har en grunnleggende ulempe. Faktum er at det er umulig å gjenopprette formen til de gjenstandene som viste seg å være mye mindre enn bølgelengden fra formen til lysbølger: du kan like godt prøve å undersøke den fine teksturen til materialet med hånden i en tykk sveisehanske.

Begrensningene skapt av diffraksjon har blitt delvis overvunnet, og uten å bryte fysikkens lover. To omstendigheter hjelper optiske mikroskoper til å dykke under diffraksjonsbarrieren: det faktum at kvanter under fluorescens sendes ut av individuelle fargestoffmolekyler (som kan være ganske langt fra hverandre), og det faktum at det ved å overlappe lysbølger er mulig å oppnå en lysstyrke. flekk med en diameter som er mindre enn bølgelengden.

Når de er lagt over hverandre, er lysbølger i stand til å oppheve hverandre, derfor er belysningsparametrene til prøven slik at det minste mulige området faller inn i det lyse området. I kombinasjon med matematiske algoritmer som for eksempel kan fjerne ghosting, gir slik retningsbelysning en dramatisk forbedring av bildekvaliteten. Det blir for eksempel mulig å undersøke intracellulære strukturer med et optisk mikroskop og til og med (ved å kombinere den beskrevne metoden med konfokal mikroskopi) få deres tredimensjonale bilder.

Elektronmikroskop før elektroniske instrumenter

For å oppdage atomer og molekyler trengte ikke forskerne å se på dem - molekylær teori trengte ikke å se objektet. Men mikrobiologi ble mulig først etter oppfinnelsen av mikroskopet. Derfor ble mikroskoper til å begynne med nettopp assosiert med medisin og biologi: fysikere og kjemikere som studerte mye mindre gjenstander som ble administrert på andre måter. Når de også ville se på mikrokosmos, ble diffraksjonsbegrensninger et alvorlig problem, spesielt siden metodene for fluorescensmikroskopi beskrevet ovenfor fortsatt var ukjente. Og det er liten vits i å øke oppløsningen fra 500 til 100 nanometer hvis objektet som skal vurderes er enda mindre!

Med visshet om at elektroner kan oppføre seg både som en bølge og som en partikkel, skapte fysikere fra Tyskland en elektronlinse i 1926. Ideen bak den var veldig enkel og forståelig for ethvert skolebarn: siden det elektromagnetiske feltet avleder elektroner, kan det brukes til å endre formen på strålen til disse partiklene ved å trekke dem fra hverandre, eller tvert imot, for å redusere diameteren på strålen. Fem år senere, i 1931, bygde Ernst Ruska og Max Knoll verdens første elektronmikroskop. I enheten ble prøven først belyst av en elektronstråle, og deretter utvidet elektronlinsen strålen som passerte gjennom før den falt på en spesiell selvlysende skjerm. Det første mikroskopet ga bare en forstørrelse på 400 ganger, men utskiftingen av lys med elektroner banet vei for å fotografere med forstørrelse hundretusenvis av ganger: designerne måtte bare overvinne noen få tekniske hindringer.

Elektronmikroskopet gjorde det mulig å undersøke strukturen til celler i en kvalitet som tidligere var uoppnåelig. Men fra dette bildet er det umulig å forstå alderen til cellene og tilstedeværelsen av visse proteiner i dem, og denne informasjonen er svært nødvendig for forskere.

Elektronmikroskoper tillater nå nærbilder av virus. Det er forskjellige modifikasjoner av enheter som lar ikke bare skinne gjennom tynne seksjoner, men også vurdere dem i "reflektert lys" (i reflekterte elektroner, selvfølgelig). Vi vil ikke snakke i detalj om alle alternativene for mikroskoper, men vi legger merke til at forskere nylig har lært hvordan man gjenoppretter et bilde fra et diffraksjonsmønster.

Berør, ikke se

En annen revolusjon kom på bekostning av en ytterligere avvik fra prinsippet om «lys og se». Et atomkraftmikroskop, så vel som et skanningstunnelmikroskop, skinner ikke lenger på overflaten av prøvene. I stedet beveger en spesielt tynn nål seg over overflaten, som bokstavelig talt spretter selv på støt på størrelse med et enkelt atom.

Uten å gå inn på detaljene i alle slike metoder, merker vi det viktigste: nålen til et tunnelmikroskop kan ikke bare flyttes langs overflaten, men også brukes til å omorganisere atomer fra sted til sted. Dette er hvordan forskere lager inskripsjoner, tegninger og til og med tegneserier der en tegnet gutt leker med et atom. Et ekte xenonatom dratt etter spissen av et skanningstunnelmikroskop.

Tunnelmikroskopet kalles fordi det bruker effekten av tunnelstrøm som flyter gjennom nålen: elektroner passerer gjennom gapet mellom nålen og overflaten på grunn av tunneleffekten forutsagt av kvantemekanikk. Denne enheten krever et vakuum for å fungere.

Atomkraftmikroskopet (AFM) er mye mindre krevende for miljøforhold – det kan (med en rekke begrensninger) fungere uten luftpumping. På en måte er AFM den nanoteknologiske etterfølgeren til grammofonen. En nål montert på en tynn og fleksibel utkragerbrakett ( utkrager og det er en "brakett"), beveger seg langs overflaten uten å legge spenning på den og følger relieffet av prøven på samme måte som grammofonnålen følger langs sporene på en grammofonplate. Bøyningen av utkrageren får speilet festet til å avvike, speilet avleder laserstrålen, og dette gjør det mulig å bestemme formen på prøven som studeres veldig nøyaktig. Hovedsaken er å ha et ganske nøyaktig system for å flytte nålen, samt en tilførsel av nåler som må være helt skarpe. Krumningsradius ved spissen av slike nåler kan ikke overstige en nanometer.

AFM lar deg se individuelle atomer og molekyler, men, som et tunnelmikroskop, lar det deg ikke se under overflaten av prøven. Forskerne må med andre ord velge mellom å kunne se atomer og å kunne studere hele objektet. Men selv for optiske mikroskoper er innsiden av de studerte prøvene ikke alltid tilgjengelige, fordi mineraler eller metaller vanligvis overfører lys dårlig. I tillegg er det fortsatt vanskeligheter med å fotografere atomer - disse objektene fremstår som enkle kuler, formen på elektronskyer er ikke synlig i slike bilder.

Synkrotronstråling, som oppstår under retardasjonen av ladede partikler spredt av akseleratorer, gjør det mulig å studere de forsteinede restene av forhistoriske dyr. Ved å rotere prøven under røntgenstråler kan vi få tredimensjonale tomogrammer – slik ble for eksempel hjernen funnet inne i skallen til fisk som døde ut for 300 millioner år siden. Du kan klare deg uten rotasjon hvis registreringen av den overførte strålingen er ved å fikse røntgenstrålene spredt på grunn av diffraksjon.

Og dette er ikke alle mulighetene røntgenstråler åpner for. Når det bestråles med det, fluorescerer mange materialer, og fluorescensens natur kan brukes til å bestemme kjemisk oppbygning stoffer: på denne måten farger forskere gamle gjenstander, verkene til Arkimedes slettet i middelalderen, eller farger fjærene til lenge utdødde fugler.

Poserende atomer

På bakgrunn av alle mulighetene gitt av røntgen- eller optiske fluorescensmetoder, ny måteÅ fotografere individuelle atomer virker ikke lenger som et så stort gjennombrudd i vitenskapen. Essensen av metoden som gjorde det mulig å få bildene presentert denne uken er som følger: elektroner plukkes fra ioniserte atomer og sendes til en spesiell detektor. Hver ioniseringshandling fjerner et elektron fra en bestemt posisjon og gir ett poeng på "bildet". Etter å ha samlet flere tusen slike punkter, dannet forskere et bilde som viser de mest sannsynlige stedene for å finne et elektron rundt kjernen til et atom, og dette er per definisjon en elektronsky.

Avslutningsvis, la oss si at evnen til å se individuelle atomer med deres elektronskyer er mer som et kirsebær på kaken til moderne mikroskopi. Det var viktig for forskere å studere strukturen til materialer, å studere celler og krystaller, og utviklingen av teknologier som ble resultatet av dette gjorde det mulig å nå hydrogenatomet. Alt mindre er allerede interessesfæren til spesialister i elementær partikkelfysikk. Og biologer, materialforskere og geologer har fortsatt plass til å forbedre mikroskopene selv med en ganske beskjeden forstørrelse sammenlignet med atomer. Eksperter innen nevrofysiologi, for eksempel, har lenge ønsket å ha en enhet som kan se individuelle celler inne i en levende hjerne, og skaperne av rovere ville selge sjelen sin for et elektronmikroskop som skulle passe om bord i et romfartøy og kunne fungere på Mars.

Svøpen på slutten av 1900-tallet som forårsaket Freddy Mercurys død, og bærer årlig tusenvis av mennesker utover grensen for ingen retur til de levendes verden.
Menneskehetens fiende må kjennes i, vi ser og husker molekylet til AIDS-viruset, som i vitenskapelige kretser går under pseudonymet HIV.

Dette er omtrent måten celler deler seg i sin egen type.
På bildet, øyeblikket for deling av gjærcellen.

Ethvert biologisk vesen, enten det er en person eller en plante, består av gener.
En hel kjede av gener, i prinsippet, som mye avhenger av, på grunn av mangelen på visse gener, blir en person lett til en plante. Den omvendte prosessen har ennå ikke blitt observert i naturen.
På bildet er plantegenet Arabidopsis, her er det i 3D.

Ja, sannsynligvis vil enhver student kjenne igjen dette bildet!
Et tomatfrø omgitt av bittesmå hår som føles som slim å ta på. Beskytter frøet mot for tidlig tørking.

Her er den, den etterlengtede drømmen til flertallet av menneskeheten!
For å eie dette ble det utkjempet lange og blodige kriger, forbipasserende ble drept og ranet i porten. Hele menneskehetens historie er involvert i dette.

Vi inviterer deg til å vurdere bildene av finalistene som hevder tittelen "Årets fotograf" av Royal Photographic Society. Vinneren offentliggjøres 7. oktober, og utstillingen av de beste verkene holdes fra 7. oktober til 5. januar på Science Museum i London.

Utgave PM

Såpeboblestruktur av Kim Cox

Såpebobler optimerer plassen inne i seg selv og minimerer overflaten for et gitt luftvolum. Dette gjør dem til et nyttig studieobjekt på mange områder, spesielt innen materialvitenskap. Boblenes vegger ser ut til å strømme ned under påvirkning av tyngdekraften: de er tynne på toppen og tykke på bunnen.

"Marking on Oxygen Molecules" av Yasmine Crawford

Bildet er en del av forfatterens siste store prosjekt for en mastergrad i fotografi ved Falmouth University, hvor fokus var på myalgisk encefalomyelitt. Crawford sier han skaper bilder som kobler oss til det tvetydige og det ukjente.

"Evighetens ro", forfatter Evgeny Samuchenko

Bildet er tatt i Himalaya ved Gosaikunda-sjøen i 4400 meters høyde. Melkeveien er en galakse som inkluderer vårt solsystem: en vag lysstripe på nattehimmelen.

"Confused Flour Beetle" av David Spears

Denne lille skadedyrbillen angriper frokostblandinger og melprodukter. Bildet ble tatt med en skanningselektronmikrograf og deretter fargelagt i Photoshop.

The North America Nebula av Dave Watson

Nord-Amerika-tåken NGC7000 er en emisjonståke i stjernebildet Cygnus. Formen på tåken ligner formen til Nord-Amerika - du kan til og med se Mexicogulfen.

Stag Beetle av Victor Sikora

Fotografen brukte lysmikroskopi med en forstørrelse på fem ganger.

Lovell Telescope av Marge Bradshaw

"Jeg har vært fascinert av Lovell-teleskopet ved Jodrell Bank helt siden jeg så det på en skoletur," sier Bradshaw. Hun ønsket å ta noen mer detaljerte bilder for å vise slitasjen hans.