Bestaan er microscopen waarmee je atomen kan bestuderen? Zo ja hoeveel kost die dan en zo nee hoe weten we dan dat er atomen zijn?

Antwoord

De Grieken veronderstelden al dat materie opgebouwd was uit kleine, ondeelbare deeltjes. Het woord ‘atoom’ komt uit het Grieks en betekent ‘ondeelbaar’. In de 18^de eeuw kan men de atoomtheorie staven aan de hand van scheikundige proeven: bepaalde chemische reacties kon men verklaren door aan te nemen dat de ‘deeltjes’ bindingen met mekaar aangingen.

Het is pas door de ontdekking van het elektron  door Thomson en de eerste verstrooiingsproeven van Rutherford dat men een idee kreeg hoe de structuur van een atoom er moest uitzien. Bij een verstrooiingsproef ga je een zeer dunne folie van een materiaal beschieten met elektronen of kleine ionen en je gaat kijken hoe ze wegbotsen, na de botsing met de atomen in de folie. De manier waarop de ionen wegbotsen, hangt immers af van de massa- en ladingsverdeling in het atoom. En op die manier kwam men onrechtstreeks tot ons huidige atoommodel.

En toch had nog niemand een atoom “gezien”.

Het is onmogelijk om atomen te zien met een klassieke optische microscoop. Hoe goed je de lenzen ook zou ontwerpen, de ultieme ‘resolutie’ (afstand tussen twee nog net te onderscheiden punten) is steeds van de grootteorde van de golflengte van het gebruikte licht. Dit komt omdat het golfkarakter van licht het onmogelijk maakt om het oneindig fijn te focusseren. De golflengte van zichtbaar licht is van de grootteorde 0,5 micrometer (miljoenste van een meter). Net genoeg dus om bijvoorbeeld cellen en microben te zien, om atomen te zien zou de golflengte 5000 keer kleiner moeten zijn. Een elektronenmicroscoop maakt gebruik van een straling met veel kortere golflente en de beste elektronenmicroscopen hebben een resolutie die 1000 keer beter is dan van optische microscopen. Ze zitten dus net op de grens om atomen waar te nemen.

In 1981 werd de scanning tunneling microscoop (STM) ontdekt (een ontdekking die de Nobelprijs heeft opgeleverd). Dit is geen klassieke microscoop in de zin dat je direct een beeld ziet, maar in een STM wordt met een zeer scherpe naald een oppervlak afgetast en ‘meet’ men op een of andere wijze de afstand van de punt van de naald tot het oppervlak. Ondertussen zijn er al verschillende varianten van de manier waarop men die afstand kan meten. Op die manier kan men individuele atomen ‘zien’ op een oppervlak. Dergelijke microscopen zijn de dag van vandaag een standaard uitrusting van elk laboratorium dat onderzoek doet naar de fundamenten van materie.

Op de foto’s zie je zo’n microscoop, met een vergroting van de naald. De andere foto’s tonen beelden waar je de individuele atomen ziet.