Как на самом деле выглядят атомы и какого они цвета?

Еще древние греки догадывались о том, что все вещество состоит из мельчайших строительных блоков — атомов (от греческого неделимый). Чуть более ста лет назад нам стало известно, что атом состоит из ядра и электронов, а с развитием квантовой физики нам удалось понять свойства этих загадочных строительных блоков нашей Вселенной.

Форма

Видимое излучение не годится для того, чтобы разглядеть форму атомов, потому что длина волны такой частицы света намного больше, чем сам атом. Чтобы форма была отчетливо видна, объект должен быть больше длины волны света. Длина волны видимого излучения (все цвета радуги от фиолетового до красного) составляет примерно от 400 до 700 нанометров, где нанометр равен одной миллиардной метра или примерно от 1/15000 до 1/200000 толщины человеческого волоса. Самый большой атом имеет диаметр около 250 пикометров, что в 1000 раз меньше, чем видимый свет. Поэтому, хоть отдельный атом и может отражать частицу видимого излучения, но поскольку атомы намного меньше, чем сам свет, максимум что вы сможете увидеть, это размытую точку.

Видимый спектр электромагнитного излучения
Видимый спектр электромагнитного излучения

Для четкой визуализации атомов используют сканирующий туннельный микроскоп, представляющий собой аппарат, в котором вместо света используются электроны, чтобы увидеть очень маленькие объекты. Разрешающая способность этих микроскопов достаточно хорошая, чтобы отдельные атомы можно было рассматривать как некие выпуклости. Одним из самых известных изображений отдельных атомов являются буквы «IBM», которые показаны на изображении ниже.

Буквы «IBM», написанные из атомов
Буквы «IBM», написанные из атомов

Другой способ получения изображения атома является квантовая микроскопия. Благодаря этому методу были получены следующие изображения атома.

Поскольку мы имеем дело с квантовой физикой, то невозможно определить реальное местоположение электронов в пространстве вокруг ядра атома. Поэтому на изображении мы имеем некое облако, где более яркие участки показывают большую вероятность обнаружения электрона в данном месте.

Механизм работы квантовой микроскопии
Механизм работы квантовой микроскопии

Цвет

Что касается цвета, атомы могут иметь видимые цвета, хотя это трудно увидеть, если у вас нет много атомов. Под цветом объекта люди обычно понимают цвет света, который отражается от него, а иногда они понимают это, как цвет света, который объект испустил.

Некоторые атомы имеют очень четкий спектр излучения, как, например, атомы натрия, излучающие желтый свет во многих уличных фонарях. Поэтому когда вы видите желтое свечение уличного фонаря, это, как правило, цвет атомов натрия.

Все атомы рассеивают часть света, который падает на них. Обычно они рассеивают больше синего света, чем красного. Молекулы в воздухе рассеивают часть света, поэтому небо голубое.

Также как атомы могут излучать свет, они могут его и поглощать. Цвета, которые вы видите, когда свет проходит через группу атомов, которые могут поглощать свет — это цвета, которые не поглощает этот конкретный тип атомов.