Из истории химии:как химики научились видеть атомы?

Наверное очень трудно представить, насколько мал атом. Ведь один атом настолько мал по сравнению с яблоком, наколько яблоко мало по сравнению с Землей. И всё же, вы вероятно будете удивлены, если я скажу что химики могут видеть атомы. Но как? 

Идея о существовании атомов напрямую тянется из Древней Греции - в то время философ Демокрит заявил, что вся материя на нашей Земле сделана из мельчайших неделимых частиц, которые он назвал атомами. А философ Платон предположил, что разность субстанций это различные по форме атомы подобные пирамидам или кубам.

Однако сегодня из уроков начальной школы мы знаем, что атом - это невидимая для глаз наименьшая частица химического элемента способная к самостоятельному существованию и обладающая его свойствами. 

Первое свидетельство о существовании атомов появилось приблизительно в начале 1800-х годов, когда британский химик Джон Дальтон обнаружил что все вещества содержат только целые числа атомов. Дальтон вопреки всему предположил, что не может быть половины или полтора атома, а только целый атом. Именно поэтому формула воды сегодня имеет вид H2O, а не H√3.17O. И если подумать, то и в самом деле сейчас наверно очень трудно представить современную химию без проницательности Дальтона.   

Но в его дни такое предположение было недоказуемым. Ведь тогда химики не могли видеть атомы, поэтому многие воспринимали их как отрицательные числа или идеальные газы, которые не существуют в реальности и нужны только при расчётах. Но раз Дальтон утверждал что атомы действительно существуют, то почему же тогда никто не поискал их под микроскопом?

Случилось это в 1890-х годах, когда немецким учёным Вильгельмом Рентгеном были открыты рентгеновские лучи. Изучая световые лучи ему удалось обнаружить, что фотографии сделанные при помощи помощи открытых им лучей позволяют видеть обьекты насквозь. В какой-то момент Рентген возможно подумал что сошёл с ума, и его вполне можно понять. Но сегодня, мы всё знаем об этих лучах из наших походов к стоматологам и врачам. 

Но химики нашли рентгеновским лучам несколько иное применение. Вместо того что просматривать обьекты насквозь, они решили использовать эти лучи для "бомбардировки" кристаллов - ведь те по сути должны были представлять из себя плотную структуру со слоями из атомов. В ходе экспериментов рентгеновские лучи направлялись на атомы кристалла, а те в свою очередь отражались обратно либо проходили дальше к атомам второго или третьего слоя - чем то напоминает игру в пинг понг. Далее отражённые лучи поступали на экран детектора, а учёные основываясь на полученном рисунке обрабатывали всё в обратном направлении и строили трёхмерное изображение атомов в кристалле. 

Таким образом дифракция рентгеновских лучей, которую иногда называют рентгеновской кристаллографией позволила химикам взглянуть на структуру атомов, и совершить одно из величайших открытий в истории науки - открытию структуры ДНК.  А последующее использование сканирующего туннельного микроскопа привело к тому, что химики наконец увидели сами атомы. И они не совершенно не были похожи на пирамиды или кубы, а представляли из себя сферы различных размеров. 

Однако более детально показать сами атомы удалось лишь египетско-американсокму химику Ахмеду Зевейлу, который в 1989 году изобрёл инструмент позволяющий наблюдать за ними в движении. Ему удалось изобрести лазерные импульсы для фотосьёмки со скоростью в несколько фемтосекунд (несколько квадриллионов в секунду). В ходе исследований пока лазер Зевейла летал словно  стробоскоп, камера делала фотографии, а затем полученные снимки просматривались в замедленном темпе.  

За свои достижения в области химии Зевейл получил Нобелевскую премию в 1999 году, а область его исследований получила название - фемтохимия. С тех пор фемтохимия обеспечила понимание всего - от истощения озонового слоя до работы сетчатки глаза. Таким образом оказывается, что древние греки ошибочно придумали причудливые формы атомов, но учёным потребовалось более 2.000 лет, прежде чем увидеть их собственными глазами и изучить их поведение.